超声滚压对18CrNiMo...6合金钢抗氢渗透性能的影响_王刚.pdf

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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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.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 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 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 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(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 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,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 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 t i v ep a r a m e t e r so f 1 8 C r N i M o7-6s t e e lA/MP aB/MP anc11 8 016 1 70.4 3 40.0 1 考虑到计算工作量,选取超声滚压加工过程中半径1 0mm处的一小段进行分析,将加工路径设置成3mm的直线,滚珠往复运动4次。经计算,主轴转速1 0 0r/m i n时距端面圆心1 0mm的线速度为1 0 4.6 6 7m m/s,故滚珠的滚动速度设为1 0 4.6 6 7m m/s,加工实际载荷由 静压力和动 态力组成,用 式(3)描述。p=p0+bns i n t(3)式中:p为加工实际载荷;为冲击波角频率;t为时间;p0为静压力;bn为动态力幅值。静压力为1 0 0、2 0 0、3 0 0和4 0 0N时对应的动态力幅值分别为6 8.0、7 3.0、7 7.5和7 9.5N2 3。在A B AQU S/C A E中建立板状模型,尺寸为5mm3mm2mm。由于超声滚压加工过程中,被加工材料表面区域变形量大,易产生畸变,且为了保证计算精度,对关键区域进行局部网格加密,最终超声滚压试样模型网格划分如图3所示,网格类型为C 3 D 8 R。图3 超声滚压过程中模型网格划分F i g.3 M o d e lm e s h i n go fU S R P1 8 C r N i M o 7-6合金钢中的氢渗透及氢质量分数分布同时受浓度梯度、组织差异及应力梯度的影响,氢质量分数分布复杂,本文通过氢扩散耦合残余应力场模拟,分析不同超声滚压加工参数对氢渗透的影响。仍然使用超声滚压模拟的模型和网格划分,将单元类型更改为D C 3 D 8,将超声滚压模拟得到的残余应力场作为氢扩散的预定义场,需要在A B AQU S 6.1 4中设置1 8 C r N i M o 7-6合金钢氢扩散所需参数2 4:扩散系数D=6.9 61 0-7c m2/s,充氢端氢浓度c0=1.0 11 0-5m o l/c m3,溶 解 度s=9.81 0-1 0P a-1/2,应 力 梯 度 系 数Kp=1.0 0 41 0-4c m/N1/2,温度T=2 9 8K。将试样的下表面氢质量 分 数 设 置 为0,氢 扩 散 模 拟 的 时 间 设 置 为20 0 0s。721钢 铁第5 8卷2 试验结果与分析2.1 显微硬度图4所示为不同静压力下超声滚压获得的显微硬度分布。超声滚压后试样的硬度变化是反映试样表层强化效果以及塑性变形程度的重要参数,一般认为,显微硬度随塑性变形程度的增加而增加。静压力为0(即未进行超声滚压)时试样表面硬度为4 2 6 HV,1 0 0、2 0 0、3 0 0和4 0 0N滚压后表面显微硬度分别为4 8 4 HV、4 9 2 HV、5 0 7 HV和5 3 9 HV,与未进行超声滚压的试样相比分别提升了1 4%、1 5%、1 9%和2 7%。超声滚压过程中滚珠和材料表面发生挤压作用,使表层材料发生塑性变形、晶粒得到细化,从而使得1 8 C r N i M o 7-6钢表面显微硬度得到有效提高2 5-2 6;同时,随着距表面深度的增加,显微硬度不断减小,在一定深度时降低到与未滚压试样显微硬度一致。这是由于超声滚压作用于试样表面的能量最为集中,产生了最大程度的塑性变形和晶粒细化,超声振动能量随着距表面深度的增加而减弱,因此显微硬度随着距表面深度的增加逐渐减小。图4 不同静压力对显微硬度分布的影响F i g.4 E f f e c t o fd i f f e r e n t s t a t i cp r e s s u r eo nm i c r o h a r d n e s sd i s t r i b u t i o n2.2 表面残余应力图5所示为不同静压力下超声滚压获得的表面残余应力。静压力为0(即未进行超声滚压)的试样表面残余应力较小,为-5 6MP a,该残余应力是由热应力与机械应力共同作用产生的,淬火回火给试样引入残余拉应力,车削加工过程中切削深度较小且有切削液降温,在试样表面产生残余压应力,加上车削加工后进行了去应力退火处理,故试样表面仍有一定的残 余压应力。超声滚 压静压力 为1 0 0、2 0 0、3 0 0、4 0 0 N时,表面残余应 力分别为-3 4 3、-5 8 4、-6 2 3和-6 5 1 MP a,与未进行超声滚压的试 样 相 比 分 别 提 升 了5 1 3%、9 4 3%、1 0 1 3%、10 6 3%。表面残余压应力随着静压力的增加而增加。L E EH等2 7研究发现残余压应力可以抑制微裂纹的形成或闭合现有的微裂纹,从而改善试样在海水环境中的疲劳性能。T AKAKUWA O等2 8发现氢侵入裂纹表面并扩散到材料中时,裂纹尖端附近的氢浓度较高、残余压应力可以抑制氢扩散。图5 不同静压力对表面残余应力的影响F i g.5 E f f e c t o fd i f f e r e n t s t a t i cp r e s s u r eo ns u r f a c er e s i d u a l s t r e s s2.3 氢渗透结果不同静压力下试样的氢渗透试验曲线如图6所示。图6 不同静压力下氢渗透试验曲线对比F i g.6 C o m p a r i s o no fh y d r o g e np e r m e a t i o nt e s t c u r v e su n d e rd i f f e r e n t s t a t i cp r e s s u r e s随着时间的增加,电流逐渐增加并达到最大值,成为稳态电流,记作I。根据菲克第一定律,在稳态条件下,有J=-D(cB-cA)/L(4)式中:J为达到稳态时的氢渗透通量;cB为阳极端氢浓度;cA为阴极充氢端氢浓度;L为试样的厚度。由于H已经全部电离成H+,变成阳极电流,故cB=0;充氢电流密度ic恒定时cA为常数记为c0,821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因此J=Dc0/L(5)J称为氢渗透通量,表示单位时间通过单位面积的氢原子质量,或氢原子的物质的量(因氢原子相对原子质量为1),1m o lH+在1s所产生的电量在数值上等于法拉第常数F,F=9 64 8 5 1 06As/m o l,因此单位时间通过单位面积的氢产生的电量为J F,也被称为阳极电流密度i,即i=F J(6)因此稳态时的电流密度i为i=I/S=F J=F D c0/L(7)由此可得c0=L I/D S F=L I/(D S1.0 3 61 0-1 1)(8)式中:I为渗透曲线记录的稳态电流;D为扩散系数;S为试样面积。稳态电流I的0.6 3倍电流对应的时间称为滞后时间,记作t0.6 3,扩散系数D可由式(9)计算。D=L2/6t0.6 3(9)经过上述公式可计算得出氢渗透的相关参数,见表4。氢扩散系数的变化趋势如图7所示。表4 1 8 C r N i M o 7-6合金钢在不同静压力下的氢渗透参数T a b l e4 H y d r o g e np e r m e a t i o np a r a m e t e r so f1 8 C r N i M o 7-6a td i f f e r e n tU S R Pf o r c e s静压力/ND/(c m2s-1)c0/(m o lc m-3)J/(m o lc m-2s-1)06.9 61 0-71.0 11 0-58.0 81 0-1 11 0 04.8 61 0-71.3 01 0-56.6 51 0-1 12 0 04.7 51 0-71.4 51 0-57.0 31 0-1 13 0 04.4 21 0-71.3 01 0-55.8 61 0-1 14 0 03.1 01 0-71.8 21 0-57.6 21 0-1 1图7 不同静压力对氢扩散系数的影响F i g.7 E f f e c t o fd i f f e r e n t s t a t i cp r e s s u r eo nh y d r o g e nd i f f u s i o nc o e f f i c i e n t 结果表明,氢扩散系数随着静压力的增大而显著下降。相较于未滚压的试样,静压力为4 0 0N时的氢扩散系数降低了5 5%。晶界和位错是氢的陷阱,超声滚压导致表面晶粒细化和位错密度升高,从而降低了扩散系数。同时,超声滚压引入了较高的残余压应力,消除了原有的微裂纹和孔隙,阻碍氢扩散、使扩散系数降低。2.4 残余应力模拟结果在A B AQU S动力显示模块完成超声滚压分析,之后在静力通用模块完成静态回弹之后的残余应力场。静压力为3 0 0N超声滚压后横截面残余应力数值仿真结果如图8所示。结果表明,超声滚压区域产生了较高的残余压应力,加工的边缘有少量的残余拉应力。同时,残余应力在一定深度范围内表现为残余压应力,且最大值处于试样次表面;并且随着深度的增大,残余应力表现为残余拉应力,最终达到平衡状态。图8 残余应力分布的模拟结果(静压力为3 0 0N)F i g.8 S i m u l a t i o nr e s u l t so f r e s i d u a l s t r e s sd i s t r i b u t i o n(s t a t i cp r e s s u r e i s 3 0 0N)2.5 氢扩散模拟结果残余应力影响氢扩散的实质是静水应力影响氢扩散2 9-3 0,静水应力不影响屈服强度,只产生体积改变。在A B AQU S中等效压应力即为静水压应力,因此等效压应力图可以间接反映静水应力分布特征。图9所示为通过有限元分析得到的超声滚压区域的静水压应力分布。结果表明,随着超声滚压静压力的增加,静水压应力的影响深度和最大值均呈现增加趋势。图1 0所示为不同静压力状态下氢扩散的数值分析结果(阴影区域为超声滚压加工区域)。一方面,静水压应力有效阻碍氢扩散,拉应力促进氢扩散。另一方面,随着超声滚压静压力的增加,氢扩散的影响深度和最大值均呈现减小趋势。为了进一步分析静水压应力对氢质量分数分布921钢 铁第5 8卷(a)1 0 0N;(b)2 0 0N;(c)3 0 0N;(d)4 0 0N图9 不同静压力下超声滚压引起的静水压应力分布F i g.9 H y d r o s t a t i c s t r e s sd i s t r i b u t i o n i n d u c e db yU S R Pw i t hd i f f e r e n t s t a t i cp r e s s u r e s(a)1 0 0N;(b)2 0 0N;(c)3 0 0N;(d)4 0 0N图1 0 不同静压力下超声滚压试样的氢质量分数分布F i g.1 0 H y d r o g e nm a s sp e r c e n td i s t r i b u t i o no f s a m p l e so b t a i n e db yU S R Pw i t hd i f f e r e n t s t a t i cp r e s s u r e s的影响,沿深度方向分析氢质量分数随着超声滚压残余应力的变化规律,如图1 1所示。结果表明,静水压应力呈先增大后减小的状态,在距表面约1 0 0m处达到最大值。氢质量分数在浓度梯度的驱动下,其数值随深度增加呈现降低趋势;同时,应力对氢质量分数分布的影响显著,主要表现为静水压应力大的区域氢质量分数较低,静水压应力较小的地方氢质量分数较高。随着超声滚压静压力的增大,产生的静水压应力最大值增大,且静水压应力的影响层深逐渐增大,对氢质量分数分布的影响也增大。上031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述结果表明超声滚压产生的残余压应力对氢扩散有抑制作用,从而有效提升了抗氢渗透性能。(a)1 0 0N;(b)2 0 0N;(c)3 0 0N;(d)4 0 0N图1 1 不同静压力下稳态静水应力与氢质量分数分布F i g.1 1 H y d r o s t a t i c s t r e s sa n dh y d r o g e nm a s sp e r c e n td i s t r i b u t i o nw i t hd i f f e r e n t s t a t i cp r e s s u r e s3 结论1)随着静压力的增加,超声滚压引起的硬化程度和塑性变形愈加剧烈,与未进行超声滚压的试样相比表面显微硬度最大提升了2 7%。2)静压力的增加使表面残余压应力增大以及氢扩散系数逐渐降低,从而提升了1 8 C r N i M o 7-6合金钢抗氢渗透性能。当超声滚压的静压力为4 0 0N时,与未进行超声滚压的试样相比表面残余压应力提升了10 6 3%、氢渗透参数下降了5 5%。3)数值模拟结果表明,在到表层距离相同的深度位置,超声滚压区域的氢质量分数相比于未超声滚压加工的氢质量分数更低;并且随着静压力的增加,氢质量分数沿着深度方向的下降率增加。超声滚压获得的梯度残余压应力阻碍了氢原子在材料中的扩散,从而有效提升了1 8 C r N i M o 7-6合金钢的抗氢渗透性能。参考文献:1 王刚,路留成,张悦,等.1 8 C r N i M o 7-6合金钢表面变质层循环特性J.钢铁,2 0 2 2,5 7(9):1 5 6.(WAN G G,L U LC,Z HAN G Y,e ta l.C y c l i cc h a r a c t e r i s t i c so fs u r f a c e-m o d i f i e dl a y e r so f 1 8 C r N i M o 7-6a l l o ys t e e lJ.I r o na n dS t e e l,2 0 2 2,5 7(9):1 5 6.)2 S P R I N G E R P,P R AHL U.C h a r a c t e r i s a t i o no f m e c h a n i c a lb e h a v i o ro f1 8 C r N i M o 7-6s t e e lw i t ha n dw i t h o u tN bu n d e rw a r mf o r g i n gc o n d i t i o n st h r o u g hp r o c e s s i n g m a p sa n a l y s i sJ.J o u r n a lo f M a t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y,2 0 1 6,2 3 7:2 1 6.3 P E N GG,AN D R E JT,J OHN N,e ta l.H y d r o g e ne m b r i t t l e-m e n tm e c h a n i s m s i na d v a n c e dh i g hs t r e n g t hs t e e lJ.A c t aM a t e r i a l i a,2 0 2 2,2 2 3:1 1 7 4 8 8.4 AK I YAMA E.E v a l u a t i o no fd e l a y e df r a c t u r ep r o p e r t yo fh i g hs t r e n g t hb o l ts t e e l sJ.I S I JI n t e r n a t i o n a l,2 0 1 2,5 2(2):3 0 7.5 T A RU IT,YAMA S AK IS.E v a l u a t i o n m e t h o do fd e l a y e df r a c t u r ep r o p e r t ya n do v e r c o m i n gt e c h n i q u e so fd e l a y e df r a c-t u r eo fh i g hs t r e n g t hs t e e l sJ.T e t s u-t o-H a g a n e,2 0 0 2,8 8(1 0):6 1 2.6 H I N O M,MUKA IS,S H I MA D A T,e ta l.E f f e c to fb a k i n go nh y d r o g e ne m b r i t t l e m e n tf o rh i g hs t r e n g t hs t e e lt r e a t e dw i t hv a r i o u s z i n cb a s e de l e c t r o p l a t i n g f r o mas u l f a t eb a t hJ.J o u r n a l o f t h eJ a p a nI n s t i t u t eo fM e t a l sa n dM a t e r i a l s,2 0 2 0,8 4(3):8 7.7 L IH,V E N E Z U E L AJ,Z HOU Q,e ta l.E f f e c to fs h e a r i n gp r e s t r a i no nt h eh y d r o g e ne m b r i t t l e m e n to f 11 8 0MP ag r a d em a r t e n s i t i ca d v a n c e dh i g h-s t r e n g t hs t e e lJ.C o r r o s i o nS c i-e n c e,2 0 2 2,1 9 9:1 1 0 1