陳彬，張興權(quán)

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激光沖擊強化對回轉(zhuǎn)支承用鋼42CrMo表面性能的影響

陳彬，張興權(quán)

（安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243032）

研究激光沖擊強化對回轉(zhuǎn)支承用鋼42CrMo表面形貌、表面硬度、微觀組織和殘余應(yīng)力的影響，為后續(xù)研究激光沖擊強化技術(shù)在回轉(zhuǎn)支承上的應(yīng)用提供指導(dǎo)和依據(jù)。采用高功率短脈沖的強激光束對回轉(zhuǎn)支承用鋼42CrMo試樣進行激光沖擊處理，然后用共聚焦顯微鏡進行表面形貌觀察，用維氏硬度計測量沖擊前后試樣的表面硬度，用掃描電子顯微鏡觀察截面微觀組織結(jié)構(gòu)，最后運用ABAQUS模擬激光沖擊后的殘余應(yīng)力場。光斑直徑為3 mm，脈沖寬度為8 ns，激光能量為2、3、4、5 J的情況下，激光沖擊后產(chǎn)生的微凹坑最大深度分別為2.17、3.54、4.67、6.07 μm，材料表面最高硬度較基體分別提高了10.10%、12.58%、13.58%、17.38%，材料表面的最大殘余壓應(yīng)力分別為?210、?384、?495、?508 MPa。觀察微觀組織發(fā)現(xiàn)，激光沖擊后塑性變形區(qū)的板條馬氏體長度和寬度較基體材料更小，且分布更加均勻。激光沖擊強化回轉(zhuǎn)支承用鋼42CrMo后，會在材料表面產(chǎn)生微米級的凹坑，并在材料表面和一定深度方向上產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。在一定參數(shù)范圍內(nèi)，凹坑最大深度、材料表面硬度和最大殘余壓應(yīng)力均隨激光能量的增大而增大?；剞D(zhuǎn)支承用鋼42CrMo的激光沖擊強化機理是板條狀回火馬氏體的細化。

激光沖擊強化；42CrMo；表面形貌；表面硬度；微觀組織；殘余應(yīng)力

回轉(zhuǎn)支承是能使兩個結(jié)構(gòu)部件相對轉(zhuǎn)動的機械元件，廣泛應(yīng)用于運輸設(shè)備（起重機、轉(zhuǎn)臺等）、風力發(fā)電裝置、軍用雷達等機械行業(yè)。市場上廣泛使用的回轉(zhuǎn)支承滾圈材料是42CrMo或50Mn，滾動體材料是GCCr15[1]?；剞D(zhuǎn)支承在運行過程中同時承受徑向力、軸向力和傾翻力矩[2]，一旦發(fā)生故障或者失效，會造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至是人身事故，實踐表明回轉(zhuǎn)支承的主要失效形式是滾道磨損和斷齒。為了改善回轉(zhuǎn)支承的性能和壽命，目前采用的主要方法是：一是適當調(diào)整回轉(zhuǎn)支承的幾何參數(shù)[3]，如適當降低滾道曲率半徑與球徑，調(diào)整齒側(cè)間隙，改變滾動體形狀等；二是改良回轉(zhuǎn)支承的熱處理工藝，如對內(nèi)圈、外圈滾道和傳動齒輪進行淬火處理等。但普通熱處理方法存在著工藝控制較為復(fù)雜、滾道淬火須留有工藝軟帶等問題[4-5]。

激光沖擊強化技術(shù)是近年來快速發(fā)展的表面強化技術(shù)，通過強激光在工件表面誘導(dǎo)產(chǎn)生沖擊波，使表層材料發(fā)生塑性變形而改性，并留有一定深度的殘余壓應(yīng)力，由此提高工件的表面硬度、耐磨性、抗腐蝕性和使用壽命[6]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對激光沖擊強化技術(shù)在鋁合金[7-8]、鋼鐵[9]、鎳基高溫合金[10]和陶瓷[11]等不同工件材料上的應(yīng)用開展了多種仿真與試驗研究。在鋼鐵材料方面，楊灝等[12]通過對FV520B葉片鋼進行激光沖擊處理發(fā)現(xiàn)，處理后的表面會發(fā)生凹陷，但表面硬度和疲勞壽命均有所提高。陸金花 等[13]研究發(fā)現(xiàn)激光沖擊強化可以改善45鋼—40Cr鋼焊接接頭的表面性能，改善的機理是焊縫區(qū)原有的馬氏體組織在沖擊波的作用下分解為細小的馬氏體組織。王建杰等[14]對激光沖擊強化H13熱作模具鋼的殘余應(yīng)力分布進行了數(shù)值分析與試驗研究，結(jié)果表明激光沖擊后，材料表面產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，數(shù)值分析的結(jié)果與試驗結(jié)果有很好的一致性。但系統(tǒng)性研究不同激光能量下，圓形光斑單點沖擊對回轉(zhuǎn)支承用鋼42CrMo表面性能的影響鮮有報道。

為此，本文開展了回轉(zhuǎn)支承用鋼42CrMo激光沖擊試驗，對激光沖擊后材料表面形貌、表面硬度和微觀組織變化進行了研究，并通過仿真軟件ABAQUS對激光沖擊后材料表面和深度方向的殘余應(yīng)力場進行了三維數(shù)值模擬，為進一步研究激光沖擊強化技術(shù)在回轉(zhuǎn)支承上的應(yīng)用提供理論參考和試驗依據(jù)。

1 試驗研究

1.1 試驗材料

試驗所用42CrMo鋼的化學(xué)成分見表1。為了使激光沖擊試驗與實際情況一致，采用高壓真空（2~ 10 MPa）氮氣淬火，抽真空充氮氣回火對42CrMo鋼進行熱處理，回火溫度為200 ℃。用線切割的方法將熱處理后的42CrMo鋼制成20 mm×20 mm×5 mm的試樣，共分4組，用砂紙進行打磨去除毛刺，并用拋光機對沖擊表面進行拋光，用丙酮將表面洗凈并烘干。

表1 42CrMo鋼的化學(xué)成分及含量

Tab.1 Chemical composition and content of 42CrMo steel wt%

1.2 試驗方法

回轉(zhuǎn)支承用鋼42CrMo的激光沖擊強化試驗原理如圖1所示。為了更好地吸收激光能量，防止工件材料表面被灼傷，將100 μm的黑膠帶作為吸收層涂覆在試樣表面，2 mm的流水作為約束層。激光器的脈沖寬度為8 ns，波長為1064 nm，光斑直徑為3 mm，激光能量分別取2、3、4、5 J。

采用上海曼戈斐光學(xué)技術(shù)有限公司的OLYMPUS OLS4100激光共聚焦顯微鏡對沖擊后的試樣表面進行形貌觀察。采用HV-50型維氏硬度計對材料基體和4組沖擊試樣表面進行硬度測量，設(shè)定載荷為10 kg，保壓時間為10 s。將激光沖擊后的試樣進行截面鑲樣，依次采用400#、600#、800#、1000#、1200#的砂紙進行打磨，并用拋光機拋光。拋光后采用(HF)∶(HNO3)∶(H2O)=1∶3∶7的腐蝕液進行腐蝕，采用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡觀察腐蝕后的微觀組織結(jié)構(gòu)。

圖1 回轉(zhuǎn)支承用鋼42CrMo的激光沖擊強化試驗原理圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 表面形貌

激光沖擊后會在試樣表面產(chǎn)生如圖2所示的微凹坑塑性變形，塑性變形從光斑中心位置向外逐漸減小，這與激光能量在空間的高斯分布特性相一致。不同激光能量下的微凹坑截面形貌如圖3所示，材料表面塑性變形的程度可以用微凹坑的深度大小進行表征。從圖3可以看出，保持斑直徑3 mm不變，分別使用2、3、4、5 J的激光對試樣表面進行沖擊，試樣表面沖擊產(chǎn)生的微凹坑深度分別為2.17、3.54、4.67、6.07 μm。隨著激光能量的增加，激光沖擊所產(chǎn)生的微凹坑深度隨之增加，表明材料表面的塑性變形程度不斷增加。

圖2 激光沖擊后的微凹坑形貌

圖3 不同激光能量下的微凹坑截面形貌

結(jié)合圖1和激光沖擊強化原理可知，當激光輻射到回轉(zhuǎn)支承用鋼42CrMo表面的吸收層黑膠帶時，黑膠帶材料發(fā)生劇烈爆炸并產(chǎn)生高壓等離子體，等離子體在約束層水的約束作用下產(chǎn)生沖擊波，并向回轉(zhuǎn)支承用鋼42CrMo材料內(nèi)部傳播，當沖擊波的壓力超過材料動態(tài)屈服極限時，材料發(fā)生塑性變形。激光誘導(dǎo)沖擊波的峰值壓力的計算公式可以表示為[15]：

由公式（4）可知，相同的光斑直徑下，激光能量越大，激光功率密度越高，激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波壓力越大，激光沖擊后材料表面的塑性變形越明顯，凹坑深度越大。

2.2 表面硬度

試樣經(jīng)激光沖擊強化后，表面硬度的測量方法如圖4所示，激光沖擊的光斑中心位置為起點，分別向左右兩側(cè)每隔0.5 mm測量一次，共9個測量點，表面硬度的測量結(jié)果如圖5所示。

圖4 表面硬度測量示意圖

圖5 激光沖擊后試樣表面硬度分布圖

從圖5可以看出，光斑直徑為3 mm的情況下，不同激光能量沖擊后，試樣表面的硬度分布曲線與表面凹坑形貌一致，也與激光能量在空間的高斯分布相符合。激光能量在2、3、4、5 J情況下，對應(yīng)的最高硬度分別為665、680、686、709HV，較基體材料的平均硬度604HV分別提高10.10%、12.58%、13.58%、17.38%，試樣表面硬度隨著激光能量的增加而增加。同時已有研究表明，材料表面顯微硬度越高，比磨損率越低，材料的耐磨性越好[17]，因此，使用激光沖擊強化技術(shù)可以有效提高回轉(zhuǎn)支承用鋼42CrMo的耐磨性能，進而提高回轉(zhuǎn)支承的使用壽命。

2.3 微觀組織

圖6 激光沖擊試樣后的截面微觀組織結(jié)構(gòu)

3 殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬

研究表明，材料經(jīng)過激光沖擊強化后，表面會產(chǎn)生一定深度的殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力可以降低金屬表面裂紋的應(yīng)力強度因子，減緩裂紋擴展速率，進而延長金屬材料的使用壽命[20]。本文運用仿真軟件ABAQUS，采用數(shù)值模擬的方法對激光沖擊回轉(zhuǎn)支承用鋼42CrMo后的殘余應(yīng)力場分布進行了研究。

3.1 有限元模型

在有限元建模過程中，考慮到模型的對稱性及計算精度、運算時間的影響，建立如圖7所示的1/4計算模型，模型尺寸為10 mm×10 mm×5 mm，加載區(qū)域即光斑直徑為3 mm，約束條件為底面施加全約束，平面和平面施加對稱約束。在有限元網(wǎng)格劃分時，加載區(qū)域和厚度方向上的單元長度設(shè)定為0.1 mm，其他區(qū)域的單元長度設(shè)定為0.15 mm，網(wǎng)格類型為C3D8R，選擇掃掠的方式劃分網(wǎng)格，總共得到286 850個單元。

圖7 模型示意圖

3.2 材料本構(gòu)模型

Johnson-Cook（JC）模型能夠準確定義高應(yīng)變率下的金屬材料，廣泛用于激光沖擊強化數(shù)值模擬。由于激光沖擊強化屬于冷加工范疇，因此本文采用不考慮溫度影響的簡化JC模型：

3.3 沖擊波加載

為了使仿真模擬與試驗條件相一致，取激光能量為2、3、4、5 J進行仿真研究，將所取激光能量分別代入公式（4），得到激光誘導(dǎo)沖擊波的峰值壓力分別為2.08、2.55、2.94、3.29 GPa。根據(jù)已有的研究成果，沖擊波壓力持續(xù)時間為激光脈沖寬度的2~3 倍[23]，因此本文取沖擊波壓力的持續(xù)時間為24 ns，模擬時采用的沖擊波壓力加載曲線如圖8所示。同時，考慮到激光能量在空間上呈高斯分布[24]，模擬時沖擊波壓力的空間分布采用高斯分布，如公式（6）所示（加載區(qū)域與平面平行）：

圖8 不同激光能量下的沖擊波壓力加載曲線

Fig.8 Shock wave pressure loading curve at different laser pulse energies

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

不同激光能量沖擊后，回轉(zhuǎn)支承用鋼42CrMo材料表面和深度方向的殘余應(yīng)力分布如圖9所示。從圖9a中可以看出，激光能量在2、3、4、5 J情況下，材料表面的最大殘余壓應(yīng)力分別為?210、?384、?495、?508 MPa。隨著激光能量的增加，材料表面的殘余壓應(yīng)力值和分布范圍呈增大趨勢，主要原因是激光沖擊使材料表面發(fā)生了塑性變形，塑性變形的產(chǎn)生會阻礙發(fā)生彈性變形的材料恢復(fù)到初始位置，進而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。隨著激光能量的增加，誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波壓力增大，塑性變形也隨之增大，阻礙作用更加明顯，殘余應(yīng)力值和范圍增大。

圖9 不同激光能量下的殘余應(yīng)力分布

從圖9b中可以看出，激光能量從2 J增加到5 J時，光斑中心位置的殘余壓應(yīng)力深度有所增加，但增加幅度不大，最大殘余壓應(yīng)力均出現(xiàn)在材料表面，分別為?210、?384、?483、?496 MPa，但隨著深度的增加，殘余壓應(yīng)力值逐漸減小，并產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力區(qū)。其主要原因是材料在深度方向上由塑性壓縮變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄岳熳冃?，?dǎo)致殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生。同時激光能量越大，在深度方向所形成的殘余拉應(yīng)力也越大。

4 結(jié)論

1）激光沖擊回轉(zhuǎn)支承用鋼42CrMo后，材料表面發(fā)生了塑性變形，同時材料表面硬度也有所提高，激光能量從2 J增加到5 J，表面塑性變形和硬度也隨之增大。

2）回轉(zhuǎn)支承用鋼42CrMo的微觀組織中存在大量的板條狀回火馬氏體，激光沖擊后塑性變形區(qū)域的馬氏體長度和寬度較基體材料更小，且分布更加均勻，材料在塑性變形區(qū)域的屈服強度將大大增加，因此回轉(zhuǎn)支承用鋼42CrMo激光沖擊強化機理是板條狀回火馬氏體的細化。

3）激光沖擊后能夠在材料表面和一定深度方向上產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，隨著激光能量的增加，最大殘余壓應(yīng)力值變大。在一定深度范圍內(nèi)，隨著深度的增加，殘余壓應(yīng)力不斷減小，并會產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力區(qū)。

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Effect of Laser Shock Peening on Surface Performance of Slewing Bearing Steel 42CrMo

,

(Anhui University of Technology, Maanshan 243032, China)

The work aims to study effect of laser shock peening on the surface morphology, surface hardness, microstructure and residual stress of slewing bearing steel 42CrMo and further provide guidance for the application of laser shock peening technology in slewing bearing in the future. Laser shock treatment was applied to slewing bearing steel 42CrMo sample with high-power short-pulse intense laser beam. Then, the surface morphology was observed by confocal microscope. The surface hardness of the samples before and after shock was measured by vickers hardness tester. Cross section microstructure was observed by scanning electron microscope. Finally, the simulation software ABAQUS was used to simulate the residual stress field after laser shock. In the case of spot diameter of 3 mm, the pulse width of 8 ns, and the laser energy of 2, 3, 4 and 5 J, the maximum depth of micro-pit after laser shock was 2.17, 3.54, 4.67 and 6.07 μm, the maximum hardness of material surface was increased by 10.10%, 12.58%, 13.58% and 17.38% respectively and the maximum residual compressive stress of material surface was ?210, ?384, ?495 and ?508 MPa respectively. Microstructure observation results showed that the length and width of lath martensite in plastic deformation layer after laser shock peening were smaller and more uniform than those in base material. After laser shock peening, micro-pit is produced on the surface of slewing bearing steel 42CrMo, and the residual compressive stress is produced on the surface and in a certain depth direction of the material. Within a range of parameters, the maximum depth, surface hardness and maximum residual compressive stress increase as the laser energy increases. The mechanism of laser shock peening to slewing bearing steel 42CrMo is the refinement of lath tempered martensite.

laser shock peening; 42CrMo; surface morphology; surface hardness; microstructure; residual stress

2018-09-14；

2018-12-10

CHEN Bin (1990—), Male, Ph. D. candidate, Research focus: laser shock peening.

Supported by the National Natural Science Foundation of China (51675002, 51175002) and the Youth Foundation of Anhui University of Technology (QZ201518)

ZHANG Xing-quan (1970—), Male, Doctor, Professor, Research focus: laser processing. E-mail: zhxq@ahut.edu.cn

張興權(quán)（1970—），男，博士，教授，主要研究方向為激光加工工藝。郵箱：zhxq@ahut.edu.cn

TG142.4；TN249

A

1001-3660(2019)02-0062-07

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.02.009

2018-09-14；

2018-12-10

國家自然科學(xué)基金（51675002，51175002）；安徽工業(yè)大學(xué)校青年教師科研基金（QZ201518）

陳彬（1990—），男，博士研究生，主要研究方向為激光沖擊強化。