层错能对剪切带演变规律及贝氏体改性层接触疲劳性能的影响机制

The strengthening and toughening of high-end bearing steel is the key to achieving high reliability and stable operation in aerospace, high-speed railway and other fields. Manufacturing high-end bearing with nano-bainite steel is a research hotspot. However, the blocky residual austenite is easily transformed into high carbon martensite with high hardness and poor toughness as the steel richer in carbon, which lead to reduce the service life of the bearing. The project will be carried out on the basis of our previous work, and the general stacking fault energy of the steel will be calculated at atomic scale by first-principle to present the optimum plan of the surface modification layer alloy composition. An ultrafine bainite layer has been prepared by in-situ isothermal laser surface modification technology, and coupling relationship among components/process parameters, residual stress and evolution rule of shear band to obtain the bainite layer with high strength and low residual stress. The mapping relationship between rolling contact fatigue test parameters and variation of shear band types will be established. The investigated results can provide theoretic foundation for engineering application of in-situ isothermal laser surface modification technology and technical support for long life and high reliable application of high-end bearings.

高端轴承用钢强韧化是航空航天、高速铁路等领域装备实现高可靠、稳定运行的关键。采用纳米贝氏体钢制造高端轴承是当前的研究热点。然而，当钢中含碳量较高时，块状残余奥氏体易转变为硬度高、韧性差的高碳马氏体，降低轴承钢的使用寿命。本申请在前期工作基础上，基于合金广义堆垛层错能计算，从原子尺度入手，提出改性层合金优化方案。利用在线等温激光表面改性工艺制备表层超细晶贝氏体，阐述成分/工艺参量与改性层残余应力和剪切带演变规律之间的耦合作用关系，获得兼具高强韧和低残余应力的贝氏体表面改性层。建立滚动接触疲劳试验参量与剪切带类型演变的映射关系，揭示贝氏体改性层滚动接触疲劳失效机理。为轴承用钢在线等温激光表面改性处理的工程化应用提供理论基础，为高端轴承长寿命、高可靠应用提供技术支撑。

轴承用钢强度、硬度和韧性的协同提升是延缓其在反复受力过程时发生疲劳损伤的重要措施。将轴承钢处理为纳米贝氏体成为当前的研究热点。本课题提出基于合金的广义堆垛层错能计算优化轴承钢成分，结合在线等温激光表面改性工艺制备表层超细晶贝氏体，为轴承用钢长寿命高可靠应用提供技术基础。课题重点研究了三方面工作：（1）贝氏体改性层堆垛层错能计算与影响机理研究；（2）贝氏体改性层残余应力调控机理与剪切带关联行为；（3）剪切带增强贝氏体改性层滚动接触疲劳性能研究。课题主要结论如下：Fe基超胞中Si掺杂会引发局域晶格畸变，推动其周围铁原子沿[112]γ方向移动。局域畸变源于电子在简并轨道上的不对称占据，当超胞中出现Jahn-Teller分裂，电子在Fe原子周围重新分布，以消除费米能级上由大晶格畸变引起的简并，从而引发铁基超胞的相变。当相变发生后BCC结构中Fe-Si键临界点的电子再分布比FCC晶格中电子再分布更强，提高了超胞的稳定性。合金元素对堆垛层错能的影响可通过ΔELF进行表述，堆垛层错能随ΔELF的增加而单调增加。采用在线等温表面重熔工艺获得贝氏体改性层的硬度可接近商用轴承钢，并有效改善贝氏体改性层抗开裂性。利用奥氏体的应力诱导相变特性，可有效缓解重熔过程中产生的应力。改性层中硬质点的出现与剪切带结构密切相关，而剪切带的形成为硬度、强度和韧性的协同提升提供了起到关键作用。滚动接触疲劳寿命试验表明，贝氏体改性层滚动接触疲劳寿命达到商用轴承钢的1.3倍以上。商用轴承钢疲劳损伤源于其组织中的渗碳体结构在滚动接触过程中出现回溶现象，因表层脆性增加使其发生剥落并产生疲劳。贝氏体改性层经滚动接触疲劳试验后，接触层出现典型的再结晶现象，为进一步的变形提供了可能。项目研究结果为轴承用钢高强韧表面改性提供了新的研究思路和技术路径，在提升表面改性层滚动接触疲劳性能技术领域具有一定的工程价值。