2. 中国铁道科学研究院 金属与化学研究所， 北京 100081
2. Materials ＆ Chemistry Research Institute, China Academy of Railway Science, Beijing 100081
0 引 言
表面超声滚压处理技术(Surface ultrasonic rolling processing，SURP)是将超声冲击和滚压相结合，对金属表面进行微幅高速撞击和滚压处理，从而改善金属表面状态及性能的新技术[1]。与其它表面强化技术相比，SURP技术具有以下优点：①将动态冲击和静态载荷相结合，有助于工作头位置的自动调节，使其对加工表面的适应性更强[2]；②相比滚压和喷丸技术，SURP能使被加工表面获得更好的光洁度[3,4,5]；③SURP装置的工作头采用可滚动的硬质合金球，延长了工作头的使用寿命，提高了加工效率[6,7]。
由于SURP技术对改善材料表面质量和提高材料疲劳性能方面[8]具有独特的优势，近年来国内外学者对SURP强化机理及其应用开展了广泛的研究。吕光义等[9]研究了表面超声滚压对TC4钛合金表面形貌和粗糙度的影响，发现加工后的试件表面粗糙度Ra可由2.32 μm降低到0.11 μm。刘宇等[10]采用纳米压痕法对SURP处理后的40Cr钢的表层力学性能进行了研究，发现加工次数的增加可使其表层弹性模量和硬度以及高硬度值的深度增加，并且推算出其表层最大残余压应力位于材料表面。Wang[2]等人对40Cr经SURP处理后的表层微观组织进行了观察，发现材料表层发生了严重塑性变形，从而导致其表层晶粒尺寸达到了3~7 nm。这些研究表明：SURP对材料表面粗糙度的降低、硬度的提高、残余应力的增加以及微观组织的改变均有明显作用。但目前关于SURP处理工艺对表面状态的影响尚缺乏系统研究，在一定程度上限制了SURP的实际应用。
随着我国高速铁路的快速发展，高速列车安全问题受到越来越高的重视。车轴是高速列车走行系统中最关键的受力部件之一[11]，承受高周乃至超高周的旋转弯曲交变载荷作用，其失效形式多为疲劳破坏[12,13]。因此使用能够提高车轴疲劳性能的有效表面改性方法，对保证其运行安全，延长其服役寿命具有重要的经济和社会价值[14]。由于SURP的技术特点对车轴表面处理具有独特的优势，文中将SURP技术应用于车轴钢，对比分析了不同的加工参数对于其表面状态的影响，为利用SURP技术提高车轴钢疲劳性能提供了工艺基础及理论依据。 1 材料与方法 1.1 试验材料
试验材料为根据EN13261标准生产的高速列车车轴钢EA4T，其化学成分如表 1所示。车轴材料热处理为淬火后回火。车轴轴身外表层拉伸试样的屈服应力为620 MPa，抗拉强度为774 MPa。
| (w/%) | ||||||||
| Element | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Fe |
| Content | 0.28 | 0.34 | 0.74 | 0.012 9 | 0.002 9 | 1.07 | 0.28 | Bal. |
所有试样均从车轴轴身外表层上截取，将其车削加工成Φ 14 mm×160 mm的光滑圆柱试样，试样长度方向与车轴长度方向一致。将圆柱光滑试样利用不同的SURP参数进行处理。试验设备采用HKUSM30HB型超声滚压设备及卧式车床，SURP处理时，对不同试样主要改变压头进给速度、静压力两个参数，表面超声滚压处理机床主轴转速、超声振动频率和振幅均相同，分别为300 r/min、30 kHz及8 μm。滚压头为直径7.4 mm的硬质合金钢球。不同试样的SURP处理参数设置如表 2所示。
| Specimen number | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| Static load/kN | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 2.0 | 2.0 | 2.0 |
| Feeding speed/(mm·r-1) | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.1 | 0.2 | 0.3 |
试样经SURP处理后，采用TR-200触针式表面粗糙度仪对其表面粗糙度进行测量，用Quanta 400扫描电子显微镜观察试样表面形貌，在Neophot-21型金相显微镜下观察试样截面的表层微观组织，用FM-7维氏显微硬度仪测量试样截面表层硬度随深度的变化，加载力为1.96 N、保持时间为10 s；试样表面轴向残余应力使用MSF-2M X射线应力分析仪测量，Cr靶，管流为9.0 mA，管压30 kV，采用同倾固定ψ法，ψ分别取0°、10°、20°和30°。
2 结果及讨论 2.1 表面粗糙度及形貌
SURP处理前试样表面粗糙度Ra为(0.90±0.04) μm，其表面形貌如图 1(a)所示，表面车削形成的刀痕清晰可见。图 1(b)是静载P为1.5 kN，进给速度v为0.1 mm/r的4号试样的表面形貌，已观察不到表面车削形成的刀痕。图 1(c)是静载P为2.0 kN，进给速度v为0.3 mm/r的9号试样的表面形貌，从中能够看到被挤压出的“波浪状”纹理。
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| 图 1 不同SURP条件下试样的表面形貌 Fig. 1 Surface morphologies of the specimen treated with different SURP parameters |
图 2为不同静压力和进给速度下，试样表面粗糙度的变化。由图可见：表面超声滚压处理工艺对表面粗糙度影响显著。当进给速度较低且静压力也较低的情况下，经SURP处理后试样表面粗糙度显著降低。从图 2还可以看出，随着静压力以及进给速度的增加，表面粗糙度逐渐增加。这是由于进给速度的增加影响试样表面加工的连续程度；同时如果静压力过大，则表面会发生严重不均匀塑性变形，被挤压出周向细纹，严重时会出现“鳞片状”纹理。
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| 图 2 不同SURP条件下试样的表面粗糙度 Fig. 2 Surface roughness of the specimens under different SURP parameters |
试验测得未经表面超声滚压处理试样的轴向残余压应力为-97 MPa。不同参数SURP处理试样的表面轴向残余应力值如图 3所示。由图可以看出：经过SURP后试样表面残余压应力均达到了600 MPa以上，并且当进给速度相同时，表面残余压应力随着静压力的增加而增加；当静压力相同时，随着进给速度的增加，试样表面残余压应力略有降低。
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| 图 3 不同SURP条件下试样表面的残余应力 Fig. 3 Surface residual stress of specimens treated with different SURP parameters |
图 4为4号试样截面表层显微硬度测量后留下的压痕，最表层压痕中心距表面的距离为40 μm，压痕中心的间距为80 μm。图 5为不同SURP后以及未处理试样显微硬度随深度的变化。由图可见，经过SURP处理后试样表层显微硬度均明显提高。硬度沿深度方向逐渐减小，最终趋于稳定。并且当进给速度相同时，加工硬化层的深度随着静压力的增加而增加。如1~3号试样的硬化层深度平均值为200 μm，而4~6号试样的硬化层深度平均值为360 μm，7~9号试样的硬化层深度平均值达480 μm。当静压力相同时，随着进给速度增加，表层硬度及硬化层深度略有减小。
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| 图 4 4号试样显微硬度坑 Fig. 4 Microhardness pit of the specimen 4 |
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| 图 5 不同SURP条件下试样表层显微硬度随深度的变化 Fig. 5 Microhardness along the depth of specimens with different SURP parameters |
图 6为未经SURP处理车轴钢试样表层微观组织，其主要为贝氏体+回火马氏体组织，符合EN13261标准要求。由于篇幅所限，文中仅选取典型试样说明静压力和进给速度对表层微观组织的影响。图 7为进给速度为0.1 mm/r，静压力分别为1.0 kN和2.0 kN的1号和7号试样表层组织。由图可见：表层由于剧烈的塑性变形导致明显的形变组织。对比图 6(b)和图 7(c)，可以发现SURP后经过严重的塑性变形，表层微观组织发生细化。相关研究[2,15,16]均表明，表面严重塑性变形能使表层晶粒细化，甚至达到纳米级别[2]，这是因为塑性变形导致位错的运动，随着塑性变形量的增加，位错密度增加，形成位错缠结和位错胞，这将导致亚晶粒的形成，这些亚晶粒生长成新的晶粒，从而使晶粒细化。
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| 图 6 未加工试样的表层组织 Fig. 6 Microstructure of the specimen without SURP |
对比图 7(a)和图 7(b)可以看出，当进给速度为0.1 mm/r时，静压力为1.0 kN的1号试样塑性流变区的厚度约为100 μm，而静压力为2.0 kN的7号试样塑性流变区的厚度约为400 μm左右。
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| 图 7 进给速度(v=0.1 mm/r)相同，静压力P不同时试样的表层金相组织 Fig. 7 Surface microstructure of the specimens processed with different static load P at 0.1 mm/r |
图 8为静压力为1.5 kN，进给速度分别为0.1 mm/r和0.3 mm/r时4号和6号试样横截面的表层微观形貌。由图可见：4号试样表层塑性流变区的厚度约为250 μm，6号试样的约为150 μm。可见当进给速度相同时，随着静压力的增大，材料塑性变形程度加重，并且塑性流变区沿深度方向扩展。当静压力相同时，随着进给速度的增加，塑性流变区的厚度减小。但是相对于静压力对塑性变形区厚度的影响，进给速度的影响较弱。正是由于材料表层塑性变形的产生，使得SURP试样表面状态发生改变。对于车削试样，加工刀痕是表面粗糙度较高的主要原因。在合适的工艺参数下，SURP过程中，工作头高频超声机械振动及静压力使试样表面产生均匀的塑性变形，在材料表面起到削“峰”填“谷”作用，从而对车削试样的表面粗糙度起到改善作用。但当静压力过大时，工作头与试样表面间的压强过大，接触部位的塑性变形过于严重，甚至出现表层褶皱和剥离，从而导致表面粗糙度升高。
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| 图 8 静压力(P=1.5 kN)相同，进给速度v不同时试样的表层金相组织 Fig. 8 Surface microstructure of the specimens processed with different feeding speed v at 1.5 kN |
SURP过程中，由于试样表层不同深度处塑性变形程度的不一致，越靠近表面塑性变形越大，因此在试样表面产生残余压应力。当静压力越大时，表面材料与内部塑性变形程度的差异越大，产生的残余压应力也越大。表面塑性变形的产生会导致材料发生加工硬化，并且塑性变形程度越大，加工硬化程度越大。同时，塑性变形会使表层微观组织细化，加工硬化和组织细化共同导致试样表层显微硬度升高，静压力越大，材料硬化层深度也越深。大量研究表明，材料的疲劳强度与表面状态有密切关系[17]，尤其是材料表面的粗糙度和残余应力状态。由于SURP对高速列车车轴材料表面状态具有明显的影响，其工艺参数对材料疲劳性能的定量影响有待进一步研究。 3 结 论
(1) SURP处理中，试样表面粗糙度随静压力及进给速度的降低而降低。经一定工艺参数SURP处理后，试样表面粗糙度得到明显的改善，
(2) SURP处理后试样表面轴向残余压应力和表层硬度得到了很大提高，它们随静压力的增加而增加，随进给速度增加而减小，但是前者对它们的影响更大。
(3) 试样表面残余压应力及表层硬度的增加主要是由于试样表层在SURP处理过程中发了明显的塑性变形及微观组织细化。残余压应力及表层硬度的变化与塑性变形程度具有明显的一致性，它们受SURP处理工艺参数影响的规律相同。
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