钻石旋转碾压处理对316L不锈钢表面完整性和疲劳抗性的梯度纳米结构调控机制研究

推荐：针对316L不锈钢关键部件在循环载荷下易发生表面裂纹萌生的工程难题，研究人员创新性提出钻石旋转碾压处理(DRRT)技术。该研究通过系统表征DRRT诱导的梯度纳米结构(GNS)、双轴残余压应力(RCS)和显微硬度变化，发现多道次DRRT可使疲劳寿命提升4555%，裂纹萌生位置由表面转移至基体。这项发表于《Results in Engineering》的工作为复杂几何部件的表面强化提供了兼容CNC机床的解决方案。

　　

在航空航天、压力容器等关键领域，316L奥氏体不锈钢因其优异的机械性能和成本优势被广泛应用。然而长期循环载荷作用下，表面裂纹的萌生与扩展往往成为部件失效的主因。传统铣削加工会在表面留下残余拉应力，而激光冲击强化(LSP)、表面机械研磨处理(SMGT)等现有技术存在设备成本高、复杂曲面适应性差等局限。如何通过可控表面强化同时改善表面完整性和微观结构，成为提升关键部件服役性能的卡脖子问题。

中国的研究团队在《Results in Engineering》发表创新成果，提出基于计算机数控(CNC)机床的钻石旋转碾压处理(DRRT)新技术。通过金刚石压头高速旋转产生的剧烈塑性变形，在316L不锈钢表面构建梯度纳米结构层，系统研究了不同碾压深度(20-60μm)和道次(1-3次)对材料性能的影响。研究发现DRRT可同步实现表面粗糙度降低47%、残余压应力达-593 MPa、硬化层深度超1400μm，疲劳寿命最高提升45倍。

研究采用激光共聚焦显微镜表征表面形貌，X射线衍射(XRD)分析相组成，电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)解析梯度纳米结构。通过液压伺服疲劳试验机进行应力比R=-1的轴向疲劳测试，结合扫描电镜(SEM)观察断口形貌。

表面完整性方面，DRRT将铣削表面的残余拉应力(+547 MPa)转化为双轴残余压应力，且PD方向应力值(-593 MPa)显著高于MD方向。多道次处理使20μm碾压深度的表面马氏体含量从72%(Y20)提升至89%(SY20)，而40μm单道次即可达95%(Y40)。显微硬度测试显示DY60试样的硬化层深度(1400μm)是铣削试样(200μm)的7倍。

微观结构演变表明，DRRT诱导的塑性变形使表层形成<100nm纳米晶，过渡为亚微米晶和粗晶的梯度结构。TEM证实表层为α′马氏体相，EBSD显示高角度晶界(HAGB)占比达78%。深度方向分析揭示，60μm碾压深度使晶粒细化深度达300μm，远超20μm处理的100μm影响深度。

疲劳性能测试中，DY40试样展现出最优异的抗疲劳性能，循环次数达1.1×10⁶次，较铣削试样提升4555%。断口分析发现，所有DRRT试样的裂纹源均位于非强化侧，强化层内的疲劳辉纹间距较基体缩小3-5倍。值得注意的是，过度碾压(如DY60)会导致强化层出现微裂纹，反而不利于疲劳性能。

该研究创新性地揭示了DRRT通过三重协同机制提升疲劳抗性：表面粗糙度降低减小应力集中系数K_f；残余压应力抵消外部拉应力；梯度纳米结构通过晶界强化和相变强化共同抑制裂纹扩展。相比激光冲击强化(LSP)等传统技术，DRRT具有与CNC机床兼容、适用于复杂曲面的独特优势。研究为关键部件的表面完整性调控提供了新思路，40μm碾压深度结合双道次处理的工艺参数对工程应用具有重要指导价值。