高强构件表面超声温滚压改性强化机理及其改性层结构完整性研究

The fatigue strength of high strength alloy material is sensitive to stress concentration and this weak point seriously restricts the application of high strength components. Based on the mechanism of grain boundary strength, stress strengthening and solid solution strengthening, a new process named ultrasonic warm rolling process (UWRP) is proposed in this project. The UWRP is the coupling of warm plastic process and ultrasonic rolling process, which purpose is to realize the processing of high quality modified strengthening layer of high strength alloy through making the material surface layer and sub-surface layer produce gradient plastic deformation in medium temperature range of and from more dense dislocation. The project focus on the scientific problem of the forming and acting mechanisms of high quality modified strengthening layer. The influence of temperature on the plastic deformation resistance of high hardness and low plasticity material was revealed. The forming mechanism of strengthening layer and its influence on the fatigue resistance of the components were expounded. The theoretical research lays a theoretical foundation for the development and application of long life key component. Base on mechanism research, an optimal design method for modified strengthening layer of high strength component was proposed and studied. The processing research and developing can provide technical support for the development and application of long life key components.

高强度合金材料的疲劳强度对应力集中敏感的弱点严重制约了高强构件的应用推广。项目依据材料晶界强化、应力强化和固溶强化机理，提出：通过温塑性加工和超声滚压加工耦合作用，使材料表面层和次表面层在中温范围内产生梯度塑性变形并形成更加密集的位错，实现高强度合金材料表面大深度高硬度高质量改性强化层加工的超声温滚压新工艺，产生“1+1>2”的效果。项目针对高强度合金材料高质量表面改性强化层形成及成性机理的科学问题，揭示温塑性对高硬度低塑性材料表面塑性变形抗力的影响关系，改善高强合金材料对应力集中敏感的弱点，阐明强化层形成机理及其完整性对构件疲劳抗力的影响机制，为长寿命关键基础构件的开发应用奠定理论基础。以机理研究为基础，提出高强构件表面高质量改性强化层的优化设计思路，形成“疲劳性能指标→改性层结构完整性特征参数→加工工艺参数”的改性层加工工艺解决方案，为长寿命关键基础构件的开发应用提供技术支持。

基于超声滚压工艺研究提出了超声温滚压耦合热处理技术，用以实现高强合金材料表面的进一步强化。采用理论分析、有限元计算、实验研究等方法，在超声温滚压耦合热处理技术及装备、超声温滚压耦合热处理强化对材料内部应力应变场的影响、超声温滚压耦合热处理强化对材料表面完整性的影响、以及超声温滚压耦合热处理强化对材料力学性能和机械性能五个方面展开研究工作。得到的主要研究结论如下：.（1）超声滚压处理过程中，在材料内部，瞬时应力以动态应力波的形式振荡传播，使得材料更容易塑性变形。中温条件可以加速应力振荡波的传播速度和深度，促使材料产生更大的塑性变形。.（2）与URB相比，URB/HT处理可以进一步改善成形表面完整性，包括微观形貌、晶粒尺寸、粗糙度、显微硬度、和残余应力。或者说，与URB相比，URB/HT可以在更小静载荷条件下得到所需要的成形表面。比如， 120N静载荷条件下，URB处理表面粗糙度为179nm，而达到相同的粗糙度，URB/HT处理条件下只需要40N，这对薄壁零件的表面强化具有意义。.（3）与精车削试样相比，URB/WT加工试样的弹性模量和屈服强度分别提升了6.9%和14.3%。在最长保载时间下，精车试样塑性变形位移为7.94nm， URB和URB/WT试样分别为6.6nm和6.23nm。URB/WT加工试样表现出了更好的抗蠕变性能。.（4）与URB试样相比，URB/HT试样表现出更好的耐摩擦和耐腐蚀性能，和更卓越的疲劳性能。比如 URB和URB/HT试样的疲劳断裂载荷循环次数为 和 ，相对于精磨试样分别提升了16倍和31倍。