堆焊熔敷层表面纳米晶层摩擦磨损性能研究

用预压力滚压技术在堆焊修复层表面制备纳米晶层.利用TEM、SEM分析技术研究表面纳米晶层微观结构,利用CETR-3型多功能摩擦磨损试验机考察在干摩擦条件下堆焊层表面纳米晶层的摩擦磨损性能.结果表明堆焊修复层表面经表面纳米化处理后,表面形成厚度约为10μm(晶粒尺寸小于100 nm)的纳米晶层,最表面层平均晶粒尺寸约为10 nm.纳米压痕试验表明纳米晶层的硬度提高,最表面纳米晶层的硬度约为原始堆焊层硬度的3倍.与原始堆焊试样相比,表面纳米化试样的摩擦系数降低了10%,磨损体积降低了25%~30%左右.表面纳米化样品的磨损机制由原始堆焊层的磨粒磨损和黏着磨损转变为磨粒磨损,分析表明晶粒细化导致的高硬度、低塑性是摩擦磨损性能改善和磨损机制改变的主要原因.     

薄膜多层滚压的表面粗糙度晶体学分析

提出了晶体学模型来研究多层薄膜滚压的表面粗糙度。研究了单层滚压模型,提出滚压的三维模型和二维模型（平面应变）,讨论了晶粒大小和应力状态的影响。把单个单层滚压和多层滚压模型、三维模型和平面应变模型进行了比较,发现对于所涉及的二维和三维模型来说,单层滚压和多层滚压模型并无明显的差别。因此在这些情况下,可以用单个单层滚压模型来代替多层滚压模型从而节省CPU时间。     

滚压强化的残余应力的数值仿真及工艺分析

表面滚压强化,由于在表层引起加工硬化和残余压应力,可以十分有效地提高构件、零件疲劳强度,而滚压强化的有限元数值仿真,将成为分析优化滚压强化工艺的重要手段.本文建立了连续多、圈滚压工艺的有限元数值仿真模型,获得了比较合理的滚压变形与残余应力结果.在此基础上对滚压工艺做了进一步分析.结果表明,滚压变形的进给量太大.滚压的转速太快都容易造成工件表层残余应力分布的不均匀甚至形成残余拉应力;在滚压与未滚压的过度区域,从表面到心部的近1mm范围内,均未出现人们通常所担心的残余拉应力.这将在工程生产实践中,为滚压工艺制订提供重要的依据.     

超声辅助滚压系统的设计与研究*

鉴于风力发电机组主轴的复杂工作情况和疲劳断裂失效形式,提出一种基于表面强化技术的超声辅助滚压加工系统;首先基于运动合成原理,获得了滚轮接触线的运动轨迹特征,并应用ANSYS/LS-DYNA软件分析了加工过程的特点;之后,基于一维振动理论、等效波长理论与牛顿迭代理论,推导了并求解了复合变幅杆的频率方程,实现了该复合变幅杆的纵向振动。通过对该变幅杆进行有限元仿真分析与振动特性测试,结果表明二者相对设计频率的偏差仅在0.817％以内。最后,通过对40Cr主轴进行超声辅助滚压测试,结果获得了粗糙度Ra 0.085μm和表面硬度32.2HRC的加工表面,较普通滚压加工粗糙度降低了69.1％,显微硬度提高了60％。     

表面机械滚压处理(SMRT)316L不锈钢梯度纳米层在腐蚀介质下的摩擦学行为研究

采用表面机械滚压处理(surface mechanical rolling treatment,SMRT)技术在316L奥氏体不锈钢表面构筑了梯度纳米结构层. 利用透射电子显微镜(TEM)和纳米压痕仪等分析其微观组织、力学性能等基础上,重点探讨了SMRT前后316L在1 mol/L HCl溶液(以纯水环境作为对比组)中的摩擦学行为. 结果表明:经SMRT加工后316L表面梯度纳米晶层厚度达200 μm以上,表面硬化层厚度超过1.5 mm,表面硬度提升至基体近2倍;SMRT大大减缓了材料磨损,与基体试样相比,SMRT试样在腐蚀介质下减摩效果比纯水环境更明显,且在腐蚀环境下表现出优异的耐腐蚀性能,其磨损机制由处理前伴随严重剥落特征的疲劳磨损和磨粒磨损转变为轻微疲劳磨损. 因此,316L不锈钢机械滚压梯度纳米层在腐蚀服役环境下具有较高的潜在工程应用价值.      

滚压诱导梯度超细晶铜的润滑微动磨损特性研究

通过滚柱对纯铜表面进行大载荷的多次滚压,使其表层累积不同应变水平的塑性变形,对所形成的约150μm的塑性变形层沿深度方向的晶粒形态和分布进行分析,并对其显微硬度进行测试,表明该工艺在纯铜表层诱导形成了一种梯度超细晶结构;最表层平均晶粒尺寸约为662 nm,并随深度逐渐增至基体晶粒尺寸94μm;梯度超细晶铜(简称梯度铜)最表层硬度较基体硬度提高约45%,并随深度逐渐下降至基体硬度.在SRV IV试验机上对梯度铜和粗晶铜在润滑条件下的微动磨损特性进行对比研究.结果表明:梯度铜摩擦系数先减小后增大,并在大载荷下与粗晶铜趋于一致;梯度铜的主要磨损形式为磨粒磨损,而粗晶铜为磨粒磨损和疲劳剥落,部分区域出现氧化磨损;梯度铜抗微动磨损能力比粗晶铜提高10倍以上.     

超声滚压金属材料的疲劳性能研究进展

超声滚压(ultrasonic surface rolling, USR)技术结合高能冲击和静载滚压的特点,处理后工件具有表面光洁度高、变形层深、残余压应力大和晶粒细化明显等优势;可通过适当的工艺参数设计,极大提高金属材料的疲劳强度,因而在制造业得到了广泛应用。自该技术应用至今,国内外学者做了大量有关USR工艺及性能方面的研究,并在多种重要金属材料及关键零部件中应用。截至目前,关于USR工艺参数对材料表面完整性和疲劳性能的研究,比较零散,缺乏系统总结。研究首先简要介绍了USR的工作原理和可控性;然后总结了不同USR工艺参数诱导的残余应力和微观组织,以及残余应力在疲劳加载过程中的释放规律;分析了不同工艺USR诱导的表面完整性对疲劳性能的影响及其潜在机理;阐述了与USR相关的复合强化方法的最新进展,并展望了USR金属材料的应用前景。     

纵-扭谐振超声滚压系统设计与试验

为实现6061铝合金高效优质表面强化,采用有限元仿真法优化设计了阶梯型纵-扭谐动变幅杆,设计、制造了一套纵-扭超声滚压试验装置。纵-扭谐动通过检测变幅杆输出端纵向、扭转两个方向的振幅间接验证。进行超声滚压试验,结果表明：相比普通滚压加工,纵-扭谐振超声滚压过试件表层显微硬度最高提高了41%;在所选参数范围内出现随着静压力增大表面显微硬度整体呈现局部变化整体增大趋势,随着转速增加呈现局部变化整体减小的趋势,随着进给量的增大先增大后减小的现象;相比普通滚压加工,纵-扭谐振超声滚压过的工件表面组织更细密光滑,滚痕由于扭振的高频反复挤压明显减少,形貌得到了较大改善,从而证明纵-扭超声滚压加工能更有效的实现6061铝合金的强化处理。     

超声滚压中的空化现象*

在超声滚压加工中引入切削液后可能会产生空化现象,由此产生的微射流和冲击波对超声表面强化将有积极作用。为研究超声滚压加工中空化现象是否存在及空化效应在超声滚压中的作用,本文首先分析了超声滚压中的空化阈值,然后进行了染色法试验和超声滚压后试样氧元素能谱分析,最后通过超声滚压加工对比试验研究了空化效应对加工后材料表面粗糙度和显微硬度的影响。研究发现,超声滚压加工中的声压幅值远大于空化阈值,满足空化存在的必要条件;超声滚压中发生了明显的卡纸染色现象,引入切削液后工件超声滚压加工表面氧元素含量显著提高,表明超声滚压中发生了空化现象。超声滚压加工中的空化效应能进一步降低工件表面粗糙度和提高表面显微硬度,有利于提高工件表面强化质量。本研究为空化效应在超声滚压中的积极利用提供了依据。     

热滚压成型工艺参数对微流道回复率的影响

为研究热滚压成型工艺参数对微流道成型弹性回复的影响, 基于Maxwell模型建立了微流道截面弹性回复率与各工艺参数之间函数关系的分析模型, 并利用非线性有限元仿真软件ABAQUS对PMMA、PVC、PC非结晶材料的热成型进行有限元模拟, 系统分析了温度、预压紧量及滚动速度对弹性回复率的影响. 结果显示, 当增加温度和减小预压紧量、滚动速度时, 可以有效地减小微流道截面弹性回复率.