超声冲击16MnR焊接接头表面纳米化机理研究.pdf

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摘要
超声冲击 16MnR 焊接接头表面纳米化机理研究
摘要
磨损、腐蚀及断裂是机器零部件的三大失效模式,其中,疲劳断裂常开始于材料的
表面。而随着我国的铁路列车时速的逐步提高,转向架焊接构架需承受的动载荷不断增
加,对列车转向架等零部件的性能要求也相应提高。因此,设法提高材料的表面性能具
有非常重要的实际意义。本次研究中,通过超声冲击处理 16MnR 焊接接头焊趾的表面,
并比较采用不同的工艺参数处理后材料的微观组织及力学性能有何不同。并分析了超声
冲击 16MnR 焊接接头的纳米化机理。实验结果表明:
(1)超声冲击处理 16MnR 焊接接头的焊趾表面后可获得至少 50µm 的晶粒细化层。
(2)经透射电镜观察进一步发现:本次研究中,在采用相同冲击电流的条件下,
冲击 10min,20min,30min 均可细化材料表面的晶粒组织,局部区域的晶粒大小甚至可
达纳米量级。采用不同的超声冲击时间处理对 16MnR 十字接头焊趾表面晶粒细化程度不
同,其中 20min 超声冲击处理后,材料表面晶粒的平均尺寸约为 20nm,而 10min 及 30min
的冲击时间条件下,获得的晶粒平均尺寸分别为 50nm 和 30nm。
(3)超声冲击处理后,塑性变形过程是:在粗晶内部先形成位错缠结及位错墙,
随后位错缠结及位错墙转为亚晶粒,而后亚晶粒再转变为大角度晶界最终形成纳米晶。
(4)经超声冲击处理后,16MnR 十字接头焊趾表面的显微硬度得到大幅提高,最高
可达基体的近两倍。当冲击电流为 ,冲击时间为 20min 时,16MnR 焊接接头焊趾的
表面的显微硬度最高,可达 。此外,随着深度的加深,16MnR 焊接接头焊趾的
显微硬度逐渐减小,心部显微硬度与基体硬度相当。
(5)超声冲击处理可显著改善 16MnR 焊接接头焊趾的耐腐蚀性,20min, 的工
艺下超声冲击处理后材料的耐腐蚀性能提高幅度最大,达 60%。
(6)超声冲击处理将在 16MnR 十字接头的焊趾处引入残余压应力。且引入的残余
压应力甚至可达材料的屈服强度。其中,冲击工艺为:,20min 时,引入的残余压
应力最大,可达 。
(7)对比超声冲击前后,16MnR 十字接头的疲劳寿命后可知,超声冲击处理十字接
头的焊趾处后,可将其寿命提高 100%,其原因是超声冲击处理在细化焊趾表面处的晶粒
的同时还引入了对提高疲劳寿命有帮助的残余压应力及改善了焊趾处的应力集中现象。
(8)超声冲击处理对 16MnR 十字接头的断裂方式并不产生明显的影响,都呈现为
准解理断裂。
关键词:16MnR,超声冲击,表面纳米化,疲劳,位错,纳米晶
I
Abstract
Study On The Mechanism of 16MnR Ultrasound Impacting
Surface Nanocrystallization
ABSTRACT
Wear, corrosion and fracture are three main failure modes of the machine's parts, and the
fatigue fracture always begin from the surface. As the improving of the trains' speed, the
requirement of parts of bogie and other segments' property are higher at the same. Therefore,