喷丸处理强度对500℃下碳化超高强度齿轮钢疲劳性能的影响

《International Journal of Fatigue》：The effects of shot peening intensity on the fatigue properties of carburized ultra-high-strength gear steel at 500℃

　　

摘要

为了探索提高渗碳超高强度齿轮钢在500℃下旋转弯曲疲劳性能（RBF）的潜力，采用了三种不同的喷丸处理强度（0.2、0.3和0.4 mmA）进行表面处理。系统地研究了有无喷丸处理试样的微观组织、表面粗糙度、显微硬度、残余压应力（RCS）以及500℃高周次旋转弯曲疲劳性能。结果表明，喷丸处理细化了表面微观组织，并显著提高了试样的表面粗糙度、显微硬度和残余压应力。随着喷丸处理强度的增加，500℃下的旋转弯曲疲劳强度先增加后减少，在喷丸强度为0.2 mmA时达到最大值887 MPa。显微硬度的提高和残余压应力的增加使疲劳裂纹的起始位置向试样内部移动，这是提高500℃旋转弯曲疲劳强度的主要因素。相比之下，高强度喷丸处理引起的微观缺陷改变了裂纹起始模式，导致500℃下旋转弯曲疲劳强度降低。

引言

齿轮作为机械传动系统中的关键部件，由于高速旋转和反复啮合而承受循环弯曲载荷。在航空发动机中，某些关键齿轮需要在高温条件下长期可靠运行。因此，齿轮材料的高温旋转弯曲疲劳（RBF）性能已成为一个重要的研究课题[1]。根据最大使用温度，适用于高温应用的齿轮钢通常可以分为三代：第一代、第二代和第三代齿轮钢分别能够在约200℃、350℃和500℃下工作[2]、[3]。随着高性能航空发动机齿轮的工作温度接近500℃，第三代齿轮钢已成为设计和制造先进航空发动机齿轮的首选材料[4]。

在现代工业齿轮制造中，承受循环旋转弯曲载荷的齿轮组件通常采用表面渗碳处理[5]、[6]、[7]。这种处理提高了表面的显微硬度和强度，同时引入了残余压应力（RCS）[8]、[9]、[10]、[11]。大量先前的研究表明，在一定范围内，显微硬度、强度和残余压应力与疲劳性能呈正相关[12]、[13]、[14]。然而，渗碳过程中引入的残余压应力在随后的淬火过程中可能会发生热松弛，这限制了渗碳通过残余压应力机制提高疲劳性能的效果。为了解决这一限制，经常采用喷丸处理（SP）作为补充的表面强化技术。喷丸处理可以引入更高的残余压应力，并通过加工硬化进一步提高显微硬度和强度，从而改善疲劳性能[15]、[16]、[17]、[18]。Fujino等人[18]发现，经过喷丸处理后，渗碳JIS SCM420H钢的疲劳强度有所提高，这是由于显微硬度的提高和残余压应力的引入共同作用的结果。Lv等人[19]研究了喷丸处理对W6Mo5Cr4V2钢疲劳行为的影响，结果表明，晶粒细化、显微硬度提高和残余压应力的引入是提高疲劳性能的主要因素。Zhang等人[20]报告称，经过喷丸处理后，渗碳17Cr2Ni2MoVNb钢的疲劳性能提升主要归因于残余压应力的显著增加。然而，不合适的喷丸处理参数选择可能会导致疲劳抗力的下降。Kikuchi等人[21]观察到，由于喷丸处理过程中引入的缺陷，AISI 4120钢的疲劳性能有所降低。同样，Maleki等人[22]报告称，过高的喷丸处理强度会导致AISI 1050钢表面损伤的形成，从而降低疲劳性能。

本文研究了一种新型的第三代超高强度渗碳齿轮钢。我们之前的工作已经考察了这种齿轮钢在室温下的旋转弯曲疲劳性能以及不同喷丸处理强度对其的影响。本研究系统地研究了喷丸处理强度对500℃下旋转弯曲疲劳性能的影响，并进一步分析了不同喷丸处理条件下的疲劳断裂机制。研究结果有望阐明喷丸处理强度与500℃旋转弯曲疲劳性能之间的关系，并为这种渗碳齿轮钢的工程应用提供实验数据支持。

章节摘录

实验样品

实验用超高强度齿轮钢的化学成分列于表1中。用于渗碳的样品是从圆坯加工而成的，如图1(a)所示，相对于最终尺寸RBF样品（图1(b)），一侧的加工余量为0.3 mm。渗碳和热处理后的后续加工去除了这些过程中可能引入的表面微观缺陷。

微观组织

无喷丸处理样品的表层和核心区域的微观组织如图2所示。基体微观组织主要由回火马氏体组成，如图2(a)和(b)所示。然而，表层和核心区域的碳化物类型和含量有所不同。表层区域含有丰富的碳化物，主要为M23C6、M6C和M7C3，而核心区域的碳化物较少，主要为M23C6和M6C，如图2(c)和(d)所示。

讨论

对于超高强度钢，在高周次疲劳条件下，裂纹起始和早期裂纹扩展通常在决定疲劳性能中起着关键作用。根据累积疲劳损伤的概念，疲劳损伤在重复循环载荷下逐渐发展，根据疲劳损伤和断裂力学理论，拉伸应力被认为是裂纹起始和扩展的重要驱动力[34]、[35]、[36]。

结论

系统地研究了无喷丸处理和不同喷丸处理强度的喷丸处理样品的微观组织、表面形貌、显微硬度、残余压应力以及500℃下的旋转弯曲疲劳性能。主要结论总结如下：

• (1)
  与无喷丸处理样品相比，喷丸处理样品的残余压应力、表面粗糙度和表层显微硬度显著提高。随着喷丸处理强度的增加，表面粗糙度和显微硬度的变化较小。在表面50 μm范围内的残余压应力有所降低。

作者贡献声明

陈伟豪：撰写-初稿，实验研究。 徐子宽：资源保障，方法论。 顾学忠：项目管理。 顾金波：监督。 池洪晓：监督。 王斌：撰写-审阅与编辑，方法论。 张哲峰：撰写-审阅与编辑，方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢中国国家科技重大专项（项目编号：J2019-VI-0019-0134）、国家自然科学基金（项目编号：52471150、52371123、U2468209、52130002、52321001）以及中国科学院战略性先导科技专项的财政支持。我们还感谢中央钢铁研究院特种钢研究所的技术援助和建设性反馈。