第54卷•第5期.2021年5月10S
SCX400车轮钢表面超声滚压强化试验
及其压力参数优化
李军、康皓2，朱玉红3，孙爽4
(1.天津现代职业技术学院机电工程学院，天津300350; 2.兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州730070;
3.天津大学化工学院绿色合成与转化教育部重点实验室，天津300072;
4.天津职业技术师范大学创新学院，天津300222)
[摘要]为了提高SCX400车轮钢表面的强度，采用超声滚压技术对其表面进行了强化处理，并通过试验测试手段对其压力参数进行优化。结果表明：增大超声滚压力有助于获得更大厚度的变形层，靠近表面附近区域的组织存在强烈塑性变形，过渡区的变形程度减小，而内部组织则保持基本不变的状态。当施加100 N超声滚压时，在 表层组织中生成了尺寸约为5 n m的纳米晶；继续提高滚压力到400 N，试样表层获得更高比例的非晶态组织，随着 深度的增加，SCX400车轮钢的表面硬度表现出整体减小；将滚压力提高到300 N和400 N的情况下，距离表面50 Ijuri的组织硬度分别为371 H V和383 H V。表层残余压应力
随超声滚压力的提高发生了持续升高，并且在增大滚压力的过程中，残余应力作用深度也发生了显著增大。完成超声滚压后，引起合金组织晶格的改变，并形成压缩残余应力。
[关键词]SCX400车轮钢；超声滚压；微观组织；残余应力；显微硬度；表面强度
[中图分类号]TG663 [文献标识码]A[文章编号]1001-1560(2021)05-0103-05
Ultrasonic Rolling Strengthening Experiment and Pressure Parameter
Optimization on Surface of SCX400 Wheel Steel
异曲同工什么意思LI Jun1 , K A N G Hao2, Z H U Yu-hong3, S U N Shuang4
(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Tianjin M o d e m Vocational and Technical College, Tianjin 300350, China；
2.School of Mechanical and Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China；
3.Key Laboratory of Green Synthesis and Conversion of Ministry of Education, School of Chemical Engineering,
Tianjin University, Tianjin 300072, China；
4. Innovation College, Tianjin Vocational and Technical Normal University, Tianjin 300222, China)
Abstract：In order t o improve the surface strength of SCX400 wheel steel, ultrasonic rolling technology was ud t o strengthen the surface. The pressure parameters were optimized by means of experimental t e s t. Results showed that increasing the ultrasonic rolling pressure was helpful t o obtain the deformation layer with larger thickness. There was a strong plastic deformation in the tissue near the surface,and the deformation degree in the transition zone was decread, while the internal microstructure remained basically unchanged. Nanocrystals with a size of about 5 n m were formed in the surface tissues when 100 N ultrasonic rolling was applied. As the rolling pressure continued to increa to 400 N, a higher proportion of amorphous microstructure was obtained on the surface of the sample. The surface hardness of SCX400 wheel steel was decread as a whole with the increa of depth. When the rolling pressure was incread to 300 N anti 400 N, the microhardness of the area 50 (xm from the surface was 371 H V and 383 HV, respectively. The residual compressive stress of surface layer was incread continuously with the increa of ultrasonic rolling pressure. In the process of increasing the rolling pressure, the depth of residual stress was also incread significantly. After the completion of ultrasonic rolling, the microstructure la
t t i c e of the alloy was changed, and the compressive residual stress was formed.
Key words： SCX400 wheel steel； ultrasonic rolling； microstructures； residual stress； microhardness； surface strength
[收稿日期]2021-01 -06
[基金项目]国家自然科学基金资助项目（20576098)；甘肃省科技厅项目（1610RJZA044)
[通信作者]李军（1968-)，副教授，主要从事机械制造的相关研究，E-mail:*****************
Vol.54 N o.5 May2021
im
〇前言
SCX400车轮钢属于一种耐腐蚀、机械强度高的轻 型结构材料，在火车车轮领域发挥了重要作用[U2]。由于SCX400车轮钢表面硬度不大，当其受到外部颗粒物 冲击作用后容易引起表面形成微裂纹以及产生划痕缺 陷的问题。根据前期研究报道可知^ ，疲劳裂纹最初 基本都是由零件表面区域开始产
生，之后再扩展到基 体组织内部，因此合金表面区域存在缺陷的情况下会 导致疲劳裂纹的形成，显著缩短零件的使用寿命。为
保证SCX400车轮钢加工性能满足实际应用要求，需对 其表面组织结构进行深人分析并了解微观结构的变 化[6'7]。目前，有学者对强化高强钢表面组织开展了相 关工作，获得了较成熟的合金加工T艺，通常包含表面 处理、组织相强化、激光强化、研磨滚压等，但会引起表 面组织损伤的情况，激光强化方法的前期成本较高，由于该方法只能对很小的表面区域进行处理，无法获得 较高的处理效率[8—111。
现阶段，超声波处理已成为许多合金材料的表面 处理技术。利用超声波处理合金材料同样可以获得理 想的强化效果，当合金表面组织受到超声波作用后，会 形成很强的冲击载荷，从而对合金表面组织产生明显 的增强作用[〜3]。到目前为止，已有许多学者通过滚 压法处理SCX400车轮钢表面，从而达到细化材料表面 组织的功能，不过尚未有学者对上述情况开展深人分 析[14’15]。为了提高SCX400车轮钢的表面强度，本工 作采用超声滚压技术对其表面进行了强化处理，并通 过试验测试手段对其压力参数进行了优化。
1试验
1.1材料和方法
本试验选择8 mm外径的SCX400车轮钢棒作为测 试基材，其成分为:C 0.65%~0.84%，Si0.40%~1.00%，1^0.50%~1.40%,00.02%~0.13%，其余为卩6。其显 微组织形貌见图1，结果显示该试样基体组织中主要存 在a+p双相结构。首先将制得的SCX400车轮钢材进 行表面车削，之后再对其抛光得到外径为8 mm的圆棒 形试样。利用车床固定打磨结束的试样和超声滚压压 头，接着输人车床和超声器的参数，完成上述准备工作 后再开启车床。以20 kHz超声振幅对试样实施50次 超声滚压，控制工件转速为60 r/min，同时设定轴向进 给速率保持恒定在12mm/min。测试了 100,200,300, 400 N超声滚压力获得的合金表面强化效果。
图1原始材料的金相组织形貌
1.2性能测试及组织观察
采用线切割方法将试样切割成外径8 mm、厚5 m m 的扁圆形结构，以光学显微镜对合金表面组织形态进 行观察。采用JEM-2100型透射电镜对试样微观组织 形貌进行了表征。利用HVS1000F型显微硬度计测试 试样硬度，分析了 SCX400车轮钢经过超声滚压处理发 生的表面组织硬度变化情况。对试样的物相结构用 BrookD8型X射线衍射仪进行表征。通过X射线衍射 sin2屮法测量残余应力（M G40PFS)，测试靶头为铜靶，20= 140°。
2结果及分析
2.1超声滚压力对T2A微观组织的影响
对经过超声滚压处理的试样进行表面微观结构分 析结果见图2。可以发现，所有试样都形成了与初始状 态不同的表面组织形态。以100 N超声滚压力进行处 理的情况下，只在96 jim以内的合金表层组织中发生 了变形；继续提高超声滚压力到200 N时，试样形成了 厚度更大的塑性变形层，接近210 |xm。继续提高滚压 力到300 N和400 N的时候，形成了厚度为313 jim和332 p m的变形层。通过分析不同压力下获得的变形 层厚度可知，增大超声滚压力后有助于获得更大厚度 的变形层。当施加较高的滚压力后，试样发生塑性变 形后形成了明显不同的组织形态。冲击力表现为深度 增加而逐渐减小的变化趋势，导致合金显微组织沿深 度方向形成了具有阶梯性的分布特点。按照不同区域 的变形程度差异性，主要形成了 3种表层金相组织，靠 近表面附近区域的组织存在强烈塑性变形现象，过渡 区的变形程度减小，而内部组织则基本保持不变。
图3给出了不同超声滚压力的SCX400车轮钢表
面的透射电镜形貌。
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(C) 300 N ( d)400 N
图2不同超声滚压力的SCX400车轮钢的表面SEM形貌
(a)100N(b ) 200 N
(c ) 300 N ( d)400 !N
图3不同超声滚压力的SCX400车轮钢表面的透射电镜形貌
2.3残余应力分析
图5是以不同超声滚压力对合金表面进行处理后 各深度处形成的残余应力。表1给出了最大残余压应 力统计结果。由图5和表1可知，表层残余压应力随 超声滚压力的提高发生了持续升高，并且增大滚压力 的过程中，残余应力作用深度也发生了增大。
Vol .54 N o .5 May 2021
由图3可以明显发现，在衍射选区中形成了外径 接近200 nm 的圆形区。通过分析微观形貌可知，提高 超声滚压力后，试样发生了更大程度塑性变形。当施 加100 N 的超声滚压载荷时，在表层组织中生成了尺 寸约为5 nm 的纳米晶，可以观察到基体组织中形成了 许多等轴形态的纳米晶。通过选区电子衍射测试获得 了多晶衍射花样，同时观察到了明显的衍射亮点。进 一步提高压力到200 N 和300 N 时，在表层组织中产生 了更细的纳米晶，并且还形成了一些非晶态组织。继 续提高滚压力到400 N 时，试样表层获得了更高比例 的非晶态组织。
当材料表面受到不同超声深滚作用力的影响后， 形成的微观组织结构也存在较大差异，说明此时发生
了不同程度的塑性变形。通过观察发现，对表面施加 不同作用力时都形成了纳米级的晶粒。增大超声滚压 力后，晶粒排列方向发生了变化，促使原先不易发生取 向的滑移系组织转变成了更易滑移的取向，从而使各 项因素都有助于发生滑移。随着塑性应变程度的提 高，之后主要通过滑移的方式完成变形过程。
2.2硬度分析
图4是不同超声滚压力的SCX 400车轮钢的表面 硬度随深度分布结果。由图4可知：随着深度的增加， SCX 400车轮钢的表面硬度表现出整体减小，这符合基 本规律。基体硬度为322 H V ，滚压力为100 N 和200 N 的条件下，与表面距离50 p m 处的组织硬度为340 HV 和353 H V 。将滚压力提高到300 N 和400 N 时，距离 表面50 (jun 的组织硬度分别为371 H V 和383 H V 。当 合金发生塑性变形时可以实现表层硬化的效果，并且 随着晶粒尺寸的减小，合金表层硬度也获得进一步 增大。
图4不同超声滚压力SCX 400车轮钢的 表面硬度随深度分布情况
超声滚压力400 N
-700 --800 ---------1---------1---------1---------1---------1
100 200 300 400 500
深度/p m
图5不同超声滚压力的SCX 400车轮钢的表面残余应力分布
表
1
不同超声滚压力的
SCX 40
0车轮钢的
表面最大残余压应力分布
超声滚压力/N
表面残余压应力/
M P a
最大残余压应力/
M P a
数学六年级下册100-558-581200-564-584300-581-611400
-588
-683
试样在滚压作用下发生了一定程度的塑性变形, 从而使表层作用力可以被传输至更深的区域。完成超 声滚压后，引起合金组织晶格的改变，并形成压缩残余 应力。
将滚压力从100 N 逐渐提高至400 N 的过程中，试 样受到压应力作用形成的深度依次增加。该结果表 明，提高滚压力后，会导致残余应力形成更大的分布深 度。因此可以通过提高滚压力使表面残余压应力最大 值进一步提升，同时也可以促使残余压应力对距离更 深的区域产生影响。
不同于超声滚压力引起的表面塑性层深度变化情 况（当作用力增大时，塑性层深度也随之增加，但变化 幅值变得更加缓慢），最大残余应力则随作用力提高而 持续增大，并且变化幅值也没有发生趋缓的情况。进 行深滚处理时，试样持续发生塑性变形，作用力经表面 组织被传递至深度更深的部位，引起塑性变形。同时
也可以发现，当滚压力增大后，沿深度方向的塑性变形 程度变得更加缓慢。当超声深滚过程结束后，之前已
000000u x )
800
.
—
2
3 4
5 6
I I
- 11
1
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经塑性变形的材料晶格组织尺寸发生了改变，形成了
压缩残余应力。最大残余应力和超声滚压力之间呈现
正相关的特征，由此可以推断次表面塑性变形程度也
跟作用力之间呈正相关的变化规律。
3结论
(1) 增大超声滚压力有助于获得更大厚度的变形
层。靠近表面附近区域的组织存在强烈塑性变形现
网线接法顺序
象，过渡区的变形程度减小，而内部组织则保持基本不
变。当施加100 N超声滚压时，在表层组织中生成了
尺寸约为5 nm的纳米晶；继续提高滚压力至400 N，试
样表层获得更高比例的非晶态组织。
(2)随着深度的增加，SCX400车轮钢的表面硬度
表现出整体减小。将滚压力提高到300 N和400 N的
情况下，距离表面50 p m的组织硬度分别为371 H V和
383 H V0
(3)表层残余压应力随超声滚压力的提高发生了
持续升高，并且增大滚压力的过程中，残余应力作用深
度也发生了显著增大。完成超声滚压后，引起合金组
织晶格的改变，并形成压缩残余应力。
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