EA4T车轴钢的超声冲击表面强化

梁 晨，覃作祥，陆 兴

(大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)*

0 引言

车轴是承受机车车辆质量的关键部件，在运行中要承受静载荷、动载荷和制动附加载荷的作用，失效的主要形式是疲劳破坏［1］.近年来，随着铁路的高速化和重载化，车轴的疲劳破坏日益严重，对行车的安全性能提出了严峻的挑战.疲劳损伤［2］往往发生在表面或从表面开始，然后逐渐向内部扩展并最终导致整个构件失效，造成了巨大经济损失和安全隐患.因此，可以通过改变表面晶粒的结构、硬度或残余应力来提高表面性能，从而减少或延缓车轴的失效，对保证轨道交通的顺畅通行有积极意义.

目前在实际生产中广泛采用表面强化技术来提高车轴钢表面性能，主要有喷丸强化、滚压强化和感应淬火等［3-7］，这些方法取得了良好的强化效果，但也存在着一些局限性，如设备庞大，效率低，污染大，处理效果还没有达到人们的预期［8］.超声冲击技术［9］作为一种有效的表面强化方法，可以使金属表面产生弹塑性变形，晶粒减小，硬度增加，同时改变表面的残余应力状态、提高金属的疲劳寿命和腐蚀性能;并且超声冲击设备体积小质量轻，噪声小污染少，成本低耗能少;超声冲击处理具有速度快，强化层较深，可以引入较大的残余压应力，同时不受工件形状限制，还可以与其它设备组成生产线等优特点，故可把超声冲击技术应用于车轴钢的表面强化上，提高其综合力学性能.本文主要研究了超声冲击处理后EA4T车轴钢显微组织及硬度的变化.

1 试验材料及方法

试验选用欧洲标准的EA4T车轴钢，化学成分见表1.车轴钢需经过调质处理，得到均匀的回火索氏体组织，然后将超声冲击强化后的工件切成尺寸为Φ15 mm×10 mm圆柱状试样，经过磨制和抛光，最后用4% 硝酸酒精溶液浸蚀.在VHX-1000超景深三维显微系统下观察显微组织，试样沿横截面硬度的分布在FM-2000维氏显微硬度计上进行测量，用Leica DCM 3D共聚焦显微镜测试了试样表面的粗糙度，利用JEM-2100F场发射透射电镜观察试样的最表层组织，工作电压为200 kV，在离子减薄仪上减薄.

表1 EA4T车轴钢的化学成分(质量分数) %

车轴钢被装夹在车床主轴上，用超声冲击头对试样表面完成强化.试验参数选择为:冲击频率为20 kHz，工件转速为820 r/min，冲击3次，功率分别选取120、150和180 W进行试验，其它工艺参数不变，观察强化后的试样表面强化效果.

2 试验结果及分析

2.1 表面粗糙度分析

试样经过超声冲击处理后，表面发生了明显变化，如图1所示.从图中看到了明显的分界线，其中左侧是未处理工件的表面，右侧是经过强化后的表面，可以发现右侧部分光泽更好，表面很光滑.

图1 EA4T车轴钢超声冲击处理前后表面状态对比照片

图2为在不同功率下试样表面粗糙度的变化图，其中粗糙度值是在试样不同位置测量后的平均值，在120、150、180W三个功率下粗糙度值分别为3.87、0.71、0.58 和0.51μm.与未处理试样相比，超声冲击强化后的试样表面粗糙度显著降低，最多大约减小了6.5倍;随着冲击功率的增加，表面粗糙度逐渐下降.这是因为在工具头的高速撞击作用下，试样表面产生了剧烈的塑性变形，波峰波谷之间的差距越来越小，使得试样表面粗糙度减小.

图2 超声冲击功率与表面粗糙度关系

2.2 金相组织

将强化后的工件沿纵向剖开，在VHX-1000超景深三维显微系统下观察经不同功率处理后试样横截面金相组织，如图3所示.由图3(a)可看出，未经超声冲击处理的试样为回火索氏体组织，细粒状的渗碳体弥散分布在铁素体基体上，组织较均匀.

图3 不同功率冲击下所得到的试样横截面金相组织

车轴钢经超声冲击处理后，试样表面附近发生了剧烈的塑性变形，表层组织已经模糊不清，在金相显微镜下难以分辨，晶粒明显细化;并且随着深度的增加，变形量逐渐减小，变形沿着同一个方向，依次分为剧烈变形层、过渡层和基体，且变形区与基体没有明显界限.随着冲击功率的增大，变形层厚度增加，晶粒内的变形越来越剧烈，晶粒伸长量增大，并向心部扩展;根据晶粒变形取向的不同，可大致估算出试样经超声冲击处理后的变形层厚度.图4为变形层厚度随冲击功率变化曲线，在120、150、180 W三个功率作用下冲击产生的变形层厚度分别为40、70和80 μm.变形层的厚度随冲击功率的提高单调增加，因为功率越高，单位时间内输入试样表面的能量就越多，变形就越明显;功率较小时变形层厚度增加迅速，随着功率的逐渐增加，变形层的厚度增加渐渐减慢，这是由于随着试样表面强化的不断进行，晶粒逐渐变小，晶界变多，位错运动阻力增大，试样继续发生塑性变形的难度增加，变形层厚度增加减慢.

图4 变形层厚度与功率的关系

2.3 TEM 分析

图5为EA4T车轴钢在功率180 W作用下试样的表层的TEM暗场像及相应的选区电子衍射花样.图5(a)可见，经过超声冲击处理后样品的最表层已转变为均匀的等轴状纳米晶，晶粒尺寸为40～50 nm，选区电子衍射花样表明纳米晶的取向呈随机分布(图5(b)).

图5 试样表层的TEM暗场像及相应的选区电子衍射花样

2.4 显微硬度

图6为试样在不同功率作用下横截面的显微硬度沿厚度方向的变化，EA4T车轴钢基体的硬度约为310 HV，经过超声冲击处理后试样发生加工硬化，表面硬度显著增加，达到343、378和390 HV，与基体相比，分别提高了11%、22%和25%.随距表面深度增加时，试样的硬度逐渐减小，最后硬度渐渐趋于稳定值，试样的硬度是呈梯度变化的.随着冲击功率的增大，试样表面硬度不断增大，且硬化层的厚度持续增加，在一定深度范围内，试样的硬度是随着超声冲击功率的增加而增大的.

由试样显微硬度变化规律看出，可以将试样表面分成三个区域，即硬度快速下降区、硬度缓慢下降区和硬度稳定区，它们与金相组织观察到的三个区域剧烈变形层、过渡层和基体相对应.在三个功率作用下，硬化层厚度分别为40、70和80μm，这与试样的显微组织测量的变形层厚度变化规律一致.

图6 不同功率下试样显微硬度沿厚度方向的变化

2.5 表面硬度提高机理

在材料的内部，通常变形分为位错滑移和机械孪生两种方式，究竟采取哪种变形方式主要取决于材料的层错能，因此具有不同层错能材料的变形方式和变形组织存在着一定的差异.本实验中，EA4T车轴钢属于中高层错能金属，塑性变形方式主要通过位错的运动，试样表面首先在工具头的重复作用下，产生了大量位错，并通过滑移、累积、交互作用、湮灭和重排等形成了位错墙和位错缠结，这些位错墙和位错缠结将原始晶粒分割成尺寸较小的位错胞;随着应变的增加，位错密度不断增大，为了降低系统的能量，高密度位错会在位错墙和位错缠结附近发生湮灭和重排，使得位错墙和位错缠结发展成亚晶界.亚晶界的形成降低了位错的密度，使得晶粒尺寸明显减小.随着应变的进一步增加，碎化亚晶界或晶粒的内部的进一步碎化仍将沿用同样的机理，只是这种碎化发生在更小的尺度范围内.晶界两侧取向差不断增大，晶粒取向逐渐趋于随机分布(图7).同时，位错在运动时相互交割加剧，一方面增加了位错线的长度，另一方面产生了固定割阶、位错缠结等障碍，这些都会使位错运动阻力增大，引起变形抗力增加，要想使金属进一步塑性变形，就必须增大外力，于是就提高了金属的强度［10］.

除此之外，在一定深度范围内，材料的硬度是存在梯度的，即随着距离表面深度的增加，晶粒逐渐变细，表面的硬度逐渐减小.在传统金属材料中存在着一个经验公式，反映了材料硬度与晶粒尺寸的变化规律，就是Hall-Petch经验公式:

其中:HV为硬度;d为晶粒直径;H0，K为常数;对于普通多晶体材料K为正值.由Hall-Petch经验公式可知随着晶粒尺寸的减小材料的硬度提高.

因此，可以把车轴钢表面硬度的提高归结为 晶粒细化和加工硬化的共同作用的结果.

图7 超声冲击强化原理图

3 结论

(1)车轴钢经超声冲击处理后，表面发生了剧烈的塑性变形，晶粒明显细化，显微硬度呈梯度化，随着距表面深度的增加，变形量逐渐减小，依次分为剧烈变形层、过渡层和基体，变形区与基体没有明显界限;

(2)随着超声冲击功率的增加，变形层厚度增大，表面粗糙度减小，表面硬度提高，与基体未经超声冲击处理的试样相比，在功率180 W作用下，试样的表面硬度提高了25%，表面粗糙度降低了6.5倍，变形层厚度大约为80 μm，试样最表层已转变为均匀的等轴状纳米晶，晶粒尺寸为40～50 nm;

(3)车轴钢表面硬度的提高是晶粒细化和加工硬化共同作用的结果.

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