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自行研制了一套表面超声冲击/滚压系统,采用该系统对45钢进行了超声表面滚压加工(USRP)处理。研究USRP对45钢性能的影响,并探究USRP对45钢疲劳性能的影响。试验分为三步:第一步,设计一台USRP装置并把该装置安装在车床上,实现自动滚压的效果;第二步,利用设计好的USRP系统对45钢圆柱试样进行处理,研究不同加工参数对45钢表面硬度、粗糙度、表面显微硬度、表面残余应力及表面组织的影响;第三步,对45钢疲劳试样进行USRP处理,研究该技术对45钢疲劳性能的影响。试验结果表明:(1)USRP能够提高试样表面显微硬度。在其它加工参数不变,滚压道次为4道时,表面显微硬度达到414HV(未滚压态试样227HV),相比未滚压态试样提高82%,滚压道次过大会使试样表面显微硬度降低;滚压静压力为300N时,表面显微硬度达到416HV(未滚压态试样234HV),相比未滚压处理试样提高了78%,当压力超过300N以后压力继续增加,试样表面显微硬度降低;振幅为10μm时,表面显微硬度达到409HV(未滚压态试样224HV),相比未USRP处理的试样提高82.6%,当振幅超过10μm时,硬度值降低。(2)USRP能够改善试样表面粗糙度Ra值。其它加工参数不变,在滚压6道时,试样表面粗糙度Ra值最低,为0.144μm(未滚压态试样Ra=0.986μm),道次过多会破坏零件表面,使粗糙度值升高;在滚压静压力是250N时,粗糙度Ra值最低,为0.079μm(未滚压态试样Ra=1.041μm),静压力超过250N,粗糙度值增加;在振幅是8μm时,滚压球能够充分挤压试样表面,粗糙度Ra值最低,为0.191μm(未滚压态试样Ra=1.134μm),随着振幅继续增加,粗糙度Ra值增加。(3)USRP会使金属表层组织发生流变,使渗碳体聚集,甚至形成“瘤状”组织,增加试样表层金属的硬度,但是表层金属由于硬度的提高会变得很脆,容易形成细微的裂纹。USRP能够改善试样表层金属晶粒尺寸,达到细化晶粒的效果。随着静压力和滚压道次的增加,晶粒尺寸减小。(4)拟合疲劳试验数据得到S-N曲线,并获得每条曲线的方程。未滚压态试样的S-N曲线方程为:lg N(10)11.247lg(35)s(28)34.513(1.6×10~5≦N≦5.2×10~6);滚压参数为200N/6道试样的S-N曲线方程为:l gN(10)9lg(35)s(28)29.221(2.4×10~5≦N≦5.3×10~6);滚压参数为400N/6道试样的S-N曲线方程为:l gN(10).6857lg(35)s(28)24.178(1.3×10~6≦N≦5.3×10~6);滚压参数为400N/10道试样的S-N曲线方程为:l gN(10).7705lg(35)s(28)26.145(6.5×10~5≦N≦5.2×10~6);(5)在相同疲劳循环周次的试验条件下,滚压态试样的疲劳强度高于未滚压态试样的疲劳强度。在1.0×10~6循环周次下,加工参数为200N/6道试样的疲劳强度为380.287MPa,未滚压试样的疲劳强度为342.898MPa,疲劳强度提高了10.90%。加工参数为400N/6道的滚压试样的疲劳强度为447.727MPa,疲劳强度提高了30.57%。加工参数为400N/10道的滚压试样的疲劳强度为411.657MPa,疲劳强度提高了20.05%。在1.0×10~7循环周次下,加工参数为200N/6道的滚压试样的疲劳强度为294.442MPa,未滚压试样的疲劳强度为279.417MPa,疲劳强度提高了5.37%。加工参数为400N/6道的滚压试样的疲劳强度为320.020MPa,疲劳强度提高了14.51%。加工参数为400N/10道的滚压试样的疲劳强度为305.316MPa,疲劳强度提高了9.27%。(6)在载荷应力为360MPa的试验条件下,未滚压试样的疲劳寿命为5.784×10~5周次,经过USRP过后,试样最高的疲劳寿命是4.461×10~6,是未滚压态试样的7.71倍,即使提高最少的第二组试样也有未滚压态试样疲劳寿命的2.83倍。通过比较第二组和第三组试样,静压力由200N提升到400N,试样疲劳性能提升了172.34%。比较第三组和第四组试样,滚压道次由6道增加到10道,试样疲劳性能降低37.01%。第四组试样与第二组试样相比,疲劳性能提升了71.55%。由此可知USRP能够提高试样的疲劳寿命。(7)45钢母材裂纹萌生于试样表面,主要原因是磨削加工没有把试样表面“波峰”磨平,“波谷”填满,试样表面的应力集中很大,因此很容易产生裂纹。在裂纹的扩展区为类似解理的河流花样并伴有二次裂纹和撕裂棱。瞬断区主要以韧窝形貌为特征。未滚压试样的的断裂形式主要为准解理断裂。(8)试样经过USRP后裂纹萌生于次表层的夹杂处,部分试样的裂纹源不止一处。不同滚压参数的试样裂纹萌生位置不同,主要是因为滚压参数不同,试样表面性能不同。USRP不会改变裂纹的扩展行为,在裂纹的扩展区仍能发现二次裂纹和类似解理的河流花样。瞬断区主要为韧窝形貌,在个别韧窝内存在球状夹杂物和第二相粒子。综上所述,45钢的超声滚压态试样的疲劳断裂为准解理断裂,USRP只能改变裂纹萌生位置,并不能改变裂纹的扩展形式和疲劳失效形式。