超声滚压对18CrNiMo...6合金钢抗氢渗透性能的影响_王刚.pdf
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1、 第5 8卷 第7期 2 0 2 3年7月钢 铁I r o na n dS t e e lV o l.5 8,N o.7,p 1 2 5-1 3 2 J u l y2 0 2 3 D O I:1 0.1 3 2 2 8/j.b o y u a n.i s s n 0 4 4 9-7 4 9 x.2 0 2 3 0 0 2 7超声滚压对1 8 C r N i M o 7-6合金钢抗氢渗透性能的影响王 刚,顾飞翔,秦瑾鸿,李俊昊,彭振龙(郑州大学机械与动力工程学院,河南 郑州4 5 0 0 0 1)摘 要:为了改善1 8 C r N i M o 7-6合金钢的抗氢渗透性能,对1 8 C r N i
2、 M o 7-6合金钢进行了不同静压力的超声滚压强化处理,对超声滚压加工处理的试样进行显微硬度表征、表层残余应力检测,并对不同静压力超声滚压强化处理后的试样进行氢渗透试验,分析了超声滚压对1 8 C r N i M o 7-6合金钢表面完整性和氢渗透性能的影响规律。为了进一步探究超声滚压产生的残余应力对氢渗透的影响规律,在A B AQU S中进行超声滚压强化过程和应力耦合氢扩散过程的数值模拟。试验结果表明,随着静压力的提升,超声滚压获得的表面显微硬度和表面残余压应力逐渐增加,抗氢渗透性能呈增加趋势;当超声滚压的静压力为1 0 0、2 0 0、3 0 0、4 0 0N时,与未进行超声滚压的试样相
3、比表层硬度分别提升了1 4%、1 5%、1 9%、2 7%、表面残余压应力分别提升了5 1 3%、9 4 3%、10 1 3%、10 6 3%、氢扩散系数分别下降了3 0%、3 2%、3 6%、5 5%。数值模拟结果表明,超声滚压引起了梯度分布的残余压应力,并且残余压应力的影响深度及最大值与静压力呈正相关;氢在在浓度梯度的驱动下在材料中扩散,经过超声滚压处理的区域内部氢质量分数沿深度方向急速降低,在距离表面约1 0 0m处降幅最大,氢质量分数的分布与静水应力的分布趋势相同,存在静水压应力的地方氢质量分数低,存在静水拉应力的地方氢质量分数高,超声滚压产生的残余压应力对氢渗透有抑制作用。关键词:超
4、声滚压;1 8 C r N i M o 7-6合金钢;氢脆;氢渗透;有限元模拟文献标志码:A 文章编号:0 4 4 9-7 4 9 X(2 0 2 3)0 7-0 1 2 5-0 8E f f e c t o fu l t r a s o n i c s u r f a c e r o l l i n gp r o c e s so nh y d r o g e np e r m e a t i o nr e s i s t a n c eo f1 8 C r N i M o 7-6s t e e lWANGG a n g,GUF e i x i a n g,Q I NJ i n h o n
5、g,L I J u n h a o,P E NGZ h e n l o n g(S c h o o l o fM e c h a n i c a l a n dP o w e rE n g i n e e r i n g,Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y,Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 1,H e n a n,C h i n a)基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 2 7 1 1 2 0,U 1 8 0 4 2 5 4);河南省重大科技专项资助项目(2 0 1 4 0 0 2 1 1 2 0 0)作者简介:王 刚(1 9 8
6、 4),男,博士,副教授;E-m a i l:w a n g g a n g z z u.e d u.c n;收稿日期:2 0 2 3-0 1-1 6通信作者:彭振龙(1 9 9 5),男,博士,讲师;E-m a i l:p e n g z l z z u.e d u.c nA b s t r a c t:T o i m p r o v et h eh y d r o g e np e r m e a t i o nr e s i s t a n c eo f1 8 C r N i M o 7-6s t e e l,i tw a ss t r e n g t h e n e db yu l t
7、 r a s o n i cs u r f a c er o l l i n gp r o c e s s(U S R P)u n d e rd i f f e r e n ts t a t i cp r e s s u r e,t h eh a r d n e s so f t h es a m p l e i nt h ec r o s ss e c t i o na n dt h er e s i d u a l s t r e s so f t h e s u r f a c e l a y e r o f t h em a t e r i a lw e r em e a s u r
8、e d,a n d t h e e f f e c t o fU S R Po n t h e s u r f a c e i n t e g r i t ya n dh y d r o g e np e r m e a t i o np r o p e r t yo f 1 8 C r N i M o 7-6s t e e lw a sa n a l y z e d.T of u r t h e re x p l o r et h e i n f l u e n c eo f r e s i d u a ls t r e s sg e n e r a t e db yU S R Po nt
9、h eh y d r o g e np e r m e a t i o n,UR S Pa n ds t r e s s-c o u p l e dh y d r o g e nd i f f u s i o np r o c e s sw a ss i m u l a t e d i nA B AQU Sf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r e.T h er e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h e i n c r e a s eo fs t a t i cp r e s s u r e,t h es u r-f a
10、c em i c r o h a r d n e s sa n ds u r f a c ec o m p r e s s i v er e s i d u a l s t r e s so b t a i n e db yU S R Pg r a d u a l l yi n c r e a s e,a n dt h eh y d r o g e np e r m e a b i l i t yd e c r e a s e s;W h e nt h e s t a t i cp r e s s u r eo fU S R Pi s 1 0 0,2 0 0,3 0 0,4 0 0N,t h
11、e s u r f a c em i c r o h a r d n e s s i n c r e a-s e sb y1 4%、1 5%、1 9%、2 7%c o m p a r e dw i t ht h es a m p l ew i t h o u tU S R P,t h es u r f a c ec o m p r e s s i v er e s i d u a l s t r e s s i n-c r e a s e sb y5 1 3%、9 4 3%、10 1 3%、10 6 3%a n dt h eh y d r o g e np e r m e a t i o np
12、 a r a m e t e rd e c r e a s e sb y3 0%,3 2%,3 6%,5 5%c o m p a r e dw i t ht h es a m p l ew i t h o u tU S R P.T h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tU S R Pc a u s e s c o m p r e s-s i v er e s i d u a l s t r e s sw i t hg r a d i e n td i s t r i b u t i o n,a n
13、dt h ei n f l u e n c ed e p t ha n dm a x i m u mv a l u eo fc o m p r e s s i v er e s i d u a ls t r e s sa r ep o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t hs t a t i cp r e s s u r e;H y d r o g e nd i f f u s e s i nt h em a t e r i a ld r i v e nb yt h ec o n c e n t r a t i o ng r a d i e n t.
14、T h eh y d r o g e nm a s sp e r c e n t i nt h ea r e at r e a t e db yU S R Pd e c r e a s e sr a p i d l ya l o n gt h ed e p t hd i r e c t i o n,a n dt h e l a r g e s td e c l i n ew a sa p p e a r e da t t h ed e p t ho f1 0 0mf r o mt h et o ps u r f a c e.T h ed i s t r i b u t i o nt r e n
15、 do fh y d r o g e nm a s sp e r c e n t i s t h es a m ew i t ht h a to fh y d r o s t a t i cs t r e s s,t h eh y d r o g e nm a s sp e r c e n t i s l o w w h e r eh y d r o s t a t i cc o m-p r e s s i v es t r e s se x i s t s,a n dt h eh y d r o g e nm a s sp e r c e n t i sh i g hw h e r eh y
16、 d r o s t a t i ct e n s i l es t r e s se x i s t s.T h ec o m p r e s-s i v er e s i d u a l s t r e s sp r o d u c e db yU S R Pc a n i n h i b i th y d r o g e np e r m e a t i o n.钢 铁第5 8卷K e yw o r d s:u l t r a s o n i cs u r f a c er o l l i n gp r o c e s s;1 8 C r N i M o 7-6s t e e l;h y
17、 d r o g e ne m b r i t t l e m e n t;h y d r o g e np e r m e a t i o n;f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n 1 8 C r N i M o 7-6合金钢具有高硬度、高强度、高耐磨性、高冲击韧性等特点,被广泛用于制造高承载轴类或齿轮等关键构件1-2,其可靠性与寿命对高端装备服役性能至关重要。1 8 C r N i M o 7-6合金钢经过热处理后的微观组织主要为板条状马氏体,对氢脆极为敏感3-5。1 8 C r N i M o 7-6合金钢在冶炼阶段以及后续加工处理阶段
18、(如酸洗和电镀)不可避免地有氢原子进入6-7。如何有效控制高强钢的氢脆一直是国内外钢铁工业关注的热点问题8-1 0。近年来,表面强化对高强钢抗氢渗透性能的影响 引 起 了 广 泛 关 注。AG Y E N I M-B OAT E NG E等1 1研究了激光强化对3 1 6 L不锈钢微观组织和抗氢渗透性能的影响,结果表明激光强化可获得更细小的晶粒、更高的位错密度和更大的残余压应力,从而有效降低材料的氢脆敏感性;喷丸强化可有效提升抗氢渗透性能,并且喷丸强化引起的残余压应力可以有效降低表观氢扩散系数1 2-1 6。超声滚压利用超声冲击能量和静载滚压相结合的方式对机械零部件表面进行强化处理1 7-1
19、8。相较于激光强化和喷丸强化,超声滚压可获得更低的表面粗糙度和更厚的塑性变形层,已被广泛地应用于提升材料疲劳性能和耐磨损性能1 9-2 1,但超声滚压对高强钢抗氢渗透性能的影响还有待研究。本文旨在研究超声滚压对1 8 C r N i M o 7-6合金钢抗氢渗透性能的影响,并对超声滚压过程进行有限元分析,研究了梯度应力场对氢扩散行为的影响,为提升高强钢抗氢渗透性能提供技术思路。1 试验材料及方法1.1 超声滚压试验试验材料为1 8 C r N i M o 7-6合金钢,经淬火、低温回火,具体热处理工艺为:在8 3 0保温下2h,然后在油中淬火至室温,最后再加热至1 8 0保温1 5h回火。基本
20、力学性能为:弹性模量1 9 6G P a、屈服强度11 8 0MP a、抗拉强度13 6 8MP a。其化学成分见表1,圆柱试样尺寸为4 0mm4 0mm。表1 1 8 C r N i M o 7-6合金钢的化学成分(质量分数)T a b l e1 C h e m i c a l c o m p o s i t i o no f 1 8 C r N i M o 7-6s t e e l%CS iM nSPC rN iM oF e0.2 10.3 40.7 20.0 0 40.0 11.5 81.40.2 6其余 采用实验室自制的超声滚压装置对圆柱试样端面开展超声滚压试验,如图1所示。圆柱试样端
21、面由车削获得,切削速度、进给量和切削深度分别为12 0 0r/m i n、5 0mm/m i n和0.1mm。为避免车削引入的残余应力对试验结果的影响,对车削后的试样进行去应力退火。超声滚压试验参数为:超声振动频 率2 8 k H z,双 边 振 幅6m,进 给 量v为0.1mm/r,主轴转速n1为1 0 0r/m i n,滚压4次。静压力分别为0、1 0 0、2 0 0、3 0 0和4 0 0N,其中静压力为0时表示未进行超声滚压。滚珠材质为氮化硅,直径为8mm。采用全自动显微硬度计表征试样显微硬度,加载力和保持时间分别为2N和1 0s,取5次测量结果的平均值作为试验结果。使用高速X射线残余
22、应力分析仪(P R O T OL X R D)对表面残余应力进行表征。X射线残余应力分析仪主要技术参数如下:C r靶材,使用铁垫片作为背底片,电压和电流分别为3 6k V和2 5mA,光斑直径为0.1mm,衍射角图1 超声滚压试验平台示意F i g.1 S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no fU S R Pe x p e r i m e n tp l a t f o r m2=1 5 6.4 1,应力测定方法为同倾固定0法,其中0为X射线管与试样表面法向的夹角。使用电火花线切割机床获得厚度为1mm的片状试样,对试样切割面进行逐级打磨和机械抛光,使
23、用电工防腐蚀胶带对滚压端面封装,对抛光过的切割面进行镀镍处理以避免试样被阳极溶液腐蚀,电镀电流密度和时间分别为1 0mA/c m2和6 0s。氢渗透试验装置如图2所示,试样装在H型电解池中621第7期王 刚,等:超声滚压对1 8 C r N i M o 7-6合金钢抗氢渗透性能的影响间,阳极端采用三电极体系,样品作为工作电极,铂片电极作为辅助电极,饱和甘汞电极作为参比电极。阴极充氢端用0.2m o l/L的N a OH溶液,并加入0.2g/L的硫脲作为毒化剂,阳极端采用0.2m o l/L的N a OH溶液。试验时先倒入阳极端溶液并施加0.2V恒电位,使试样中的残留可扩散氢被电离形成残余电流,
24、阳极电流下降至1A以下时倒入阴极端溶液,打开恒电流仪,施加5mA/c m2的电流,记录阳极电流随时间变化,直至稳态。图2 氢渗透试验装置示意F i g.2 S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no fh y d r o g e np e r m e a t i o nd e v i c e1.2 有限元仿真本文选用J o h n s o n-C o o k(J C)模型作为本构模型2 2,J o h n s o n-C o o k模型的本构方程为=(A+B n)(1+Cl n*)(1-T*m)(1)T*=(T-Tr)/(Tm-Tr)(2)式中:为V
25、o n-M i s e s等效流变应力;A为参考应变率和参考温度下的初始屈服强度;B为应变硬化模量;为等效塑性应变;n为应变硬化指数;C为材料应变率强化参数;*为无量纲等效 塑 性 应 变 率,*=/0,为等效塑性应变率,0为参考应变率;m为材料热软化指数;T*为无量纲温度;Tr为参考 温 度;Tm为 材 料 的 熔 点 温 度;T为 试 验温度。实际试验过程中加工时间短且有油液冷却,故忽略温度的影响。1 8 C r N i M o 7-6合金钢的J C本构参数见表2。表2 1 8 C r N i M o 7-6合金钢的J C本构参数T a b l e2 J Cc o n s t i t u
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