用射线应力仪测量凸轮轴表面激光淬火相变层的残余应力.pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第卷 第期 年月 机械 工 程材料 、 用射线应力仪测量凸轮轴表面激光淬火 相变层的残余应力 柳铭 , 宋瑞宏 , 孔德军 江苏工业学院机械工程 系 , 江苏常州 摘要利用激光对凸轮轴所用材料 一 表面进行了淬火处理试验 , 并用 型 射线应力仪测定其残余应 力分布 , 分析了残余应 力的形成机理 。 结果表明 经激光淬火后 于 的显微组织为隐晶马 氏体十石墨 , 残余应 力均为压应力 , 其值在 以上 , 且随着功 率的增大而增加相变层深度随着扫描速率和光斑直径的增加而减小 , 且随着功率的增大而增加 激光淬火后的材料组织结构比较均匀 , 有利 于提高凸轮轴的使用寿命 。 关键词 激光淬火 凸轮轴 残余应力射线应力仪 中图分类号文献标识码文章编号 一一一 ,一, 犯 ,, , 一, 侧 一 , 刚 邓 汕 , 一 〕 , , 一 , , 刚 , 弓言 凸轮轴在汽车和摩托车发动机中通常与气门摇 臂配对控制发动机气门的开关 , 是发动机上负荷最 大的摩擦件之一 , 对发动机整体性能有重要影响仁 ‘〕 。 由于摩擦点温度高 , 其零件的主要失效形式为刮伤 、 撕裂 、剥落及早期磨损等。 因此 , 要求工作表面应有 足够的硬度和耐磨性 , 以保证其寿命曰 。 目前国内 凸轮轴选用 的材料多为 一 球墨铸铁 , 延长其 使用寿命的途径是提高其工作部位的耐磨性和抗疲 劳性能 ,‘」, 主要方法是进行表面处理 , 目前国内外 收稿日期 一。一 修订日期 。 。 一。一 。 作者简介 柳铭 一 , 男 , 江苏镇江人 , 讲师 , 硕士 。 对凸轮轴的强化工艺研究比较多陈 〕 , 但对激光淬 火后残余应力场的研究甚少 。 实践证明队 “〕, 射线 衍射技术可以测量材料中基体的应力状态 , 是研究 材料基体力学性能和组织结构的有效手段 。 为此 , 作者用激光淬火工艺对凸轮轴所用材料 一 进行表面强化处理 , 用射线应力测量仪测定了激 光淬火处理后的表面残余应力 , 分析了残余应力场 的分布规律 , 为提高凸轮轴疲劳性能提供依据 。 试样制备与试验方法 试样制备 试验材料为 于 球墨铸铁 , 其表面经磨 削 、喷砂、 清洗 、 干燥后用 一 型黑色涂料作为涂 层 。 用 一 。 。 型轴向快速流动工业用激 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 柳铭 , 等用射线应力仪测量凸轮轴表面激光淬火相变层的残余应力 光器对 一 表面进行淬火处理 。 其工艺参数 激光输出功率尸一 一 , 光斑直径必一 , 扫描速率 一一 。 激光热处理后对测 试部位磨平 , 用型电解抛光机进行表面抛光 处理后 , 备用 。 试验方法 用型射线应力仪测定其残余应力场 分布 , 其管电压 , 管电流 , 采用铬靶 氏 特 征辐射 , 准直管直径笋 , 阶梯扫描步进角 “, 时间常数 。 , 扫描起始角及终止角分别为和 , 侧倾角沪分别取 ’,, 和 。 。 对于铬靶 特征辐射 , 于 晶面为 , 其应力常数 一 。 由于射线源本身线宽 、微细 晶粒的存在以 及晶粒间微观应力和应变 , 使得衍射峰具有一定宽 度 , 由此引起的试验误差在以内 。 试验结果与分析 表面组织形貌 由图可见 , 原始状态 一 基体组织为珠 光体 枝状莱氏体球状石墨 , 经激光淬火后的 显微组织为隐晶马氏体石墨 , 其硬度为 一 。 激光淬火后组织的变化本质是发生马 氏体 相变 , 其硬化效应占总体的 以上 , 可使晶粒 细化和亚结构细化 , 位错密度比常规加热淬火更高 , 其附加强化因素主要包括位错强化 、 细晶强化和固 溶强化等 , 特别是残余奥氏体通过位错强化和固溶 强化机制在一定程度上被强化 , 与常规淬火得到的 残余奥氏体不同 。 激光工艺参数对相变层深度的影响 扫描速率 由图可见 , 在激光功率和光斑尺寸一定的条 件下 , 随着扫描速率的增加 , 加热时间减少 , 相变层 深度减小 。 反之 , 相变层深度就增加 。 如果扫描速 率太慢 , 表面吸收热量过多 , 容易造成表面熔化 , 如 图中扫描速率为 , 时 , 材料表面己 发生微熔 若扫描速率过快 , 金属表面吸收的能量不 足 , 达不到淬火温度 , 使表面不能淬火 。 当扫描速率 太快 , 即 , 时 , 相变层太浅 , 达不到 硬化目的 , 因此由试验结果可知 , 当激光功率为 , 扫描速率为时 , 材料表面既不熔 化 , 相变层又较深 , 硬化效果较好 。 激光功率 由图可见 , 当光斑尺寸和扫描速率一定时 , 工 作表面的最大加热时间也恒定 。 随着功率的增大 , 原始状态 激光淬火后 图 一表面显微组织 回雌邝而阴 眠 企 封 一 ⋯ 、 、 一 一进 二, 二州二一二吮尸二咬二一丁十二,二分 勺匕之勺 任 赵迷噢椒牢 扫描速率 一, 图扫描速率与相变层深度的关系 川 碑 睽 介 叮 相变层深度也随之增加 , 它们之间几乎接近线性关 系 , 但功率也不能无限增大 , 当功率增加到一定限度 时 , 材料表面就会熔化 。 原因是当激光功率增大时 , 光斑的平均功率密度增加 , 金属表面吸收的能量也 增大 , 使得表面温度进一步提高 , 从而导致相变层深 度增加 。 但是激光功率过高 , 如 , 扫描速率 为时 , 材料表面己经熔化 , 因而激光功 率不宜太高 。 反之 , 功率过小 , 功率为 , 时 , 得到的相变层又太浅 。 因此 , 激光束的输出功率 选在左右比较合适 , 这时材料表面既不熔化 , 而相变层又较深 , 深度约 。 光斑尺寸 光斑尺寸的大小靠调整离焦量而获得 , 因而也 有在工作中以离焦量作为工艺参数的 。 在相同光斑 尺寸的情况下 , 工作表面处于焦点内侧或焦点外侧 对硬化质量也有影响 , 但在通常的使用情况下 , 绝大 多数都采用焦点外侧 , 一般认为选择焦点外侧使用 更为方便 。 光斑尺寸的大小直接影 响相变层 的带 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 柳铭 , 等用射线应力仪测量凸轮轴表面激光淬火相变层的残余应力 曰︸ ︺,、 一一 招 么芝 只通书激任三 侧迷噢粼异 激光功率 图激光功率与相变层深度的关系 睽 印 睽 占 讼 图 扫描速率 一 不同扫描速率下残余应力的分布 件下 , 残余应力随着激光光斑直径的增大而减小 。 激光淬火通常在试样表面局部区域进行 , 试样表层 与基体经历的热循环有显著差别 , 其结果不但使热 处理过程中试样内部形成复杂的热应力分布 , 而且 在热处理结束后还形成残余压应力 , 热处理过程中 的热应力及残余应力对热处理质量均有重要影响 。 ’ 八 曰 ,工,、 星 艺只侧 艰寒 宽 。 同时在相同激光功率和扫描速率条件下 , 光斑 尺寸越大 , 功率密度越低 , 相变层就越浅反之 , 光斑 尺寸越小 , 功率密度越高 , 相变层就越深 。 激光工艺参数对残余应力的影响 测试时考虑到淬火表面在与激光光束扫描方向 成 , ’及’方向上所受到基材约束状态不 同 , 以 及表面温度在三个方向上分布不同 。 在测量试样表 面残余应力时 , 分别测出了与水平方向成 ,“ 和 。三个方向应力值。 由于射线对金属 的穿透深 度大约 拜 , 所以测试值是在深 拌 层内的平 均应力值 。 激光功率 激光淬火后的残余应力随着激光能量密度的不 同而发生变化 , 当激光功率一定时 , 激光能量密度与 扫描速率和激光光斑直径都成反比 。 由图可见 , 在其它激光参数保持不变时 , 功率越大 , 能量密度越 高 , 试样吸收的能量就越多 , 残余应力随着激光功率 的增加而增大 。 激光光斑直径 图不同激光光斑作用下的残余应力的分布 巴洛 能 己 一 芝 只 一 侧 架 一 〕 傲 一 激光能量密度 一 相变层的残余应力 采用化学腐蚀 , 经电解抛光后 , 由表及内 , 每隔 。 剥离一层测定其残余应力 , 每一层测次 取平均值 。 由图可见 , 经激光淬火处理后 , 相变层 。拜 内的残余应力均为 以上 , 其分布 也发生了显著的变化 , 表面受约束而产生压应力 , 在 其深度方向 一 拼 范围内 , 残余应力达到最大 值 。 残余应力的形成 激光与材料相互作用过程中 , 残余应力的产生 过 程见 图 。 在激光与材料相互作用 时 , 激光应力 八八︺ 弓卫 ,、︸、 一一一 招 二芝 只过书澎 图不同激光功率下残余应力的分布 飞泛‘ 睐 、, 扫描速率 由图可见 , 激光淬火后材料表面发生了塑性 变形 , 产生 了残余压应力 。 随着扫描速率加大 , 激光 在材料表面上作用的时间减小 , 相应 的激光功率密 度就减小 , 所产生的残余压应力减小 。 光斑直径 由图可见 , 在扫描速率和功率密度不变的条 与表面的距离 卜 图相变层残余应力的分布 吧 巴弱 睽 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 柳铭 , 等用射线应力仪测量凸轮轴表面激光淬火相变层 的残余应力 波在淬火区产生平行于材料表面的拉应力 , 并使材 料发生塑性变形 。 激光关闭后 , 由于淬火区周围材 料的反作用 , 将在淬火区中产生残余应力 。 激光与材料相互作用时激光关闭后 ⋯ 兰勺 考哥 图残余压应力场的形成 川 已洛污 跳洛 材料表面应力波峰压图尸 , 。 。。 , 又 , 厂刻 乙厂乙 卞万 下」 又丙一丙 以 、‘产 ﹁ ,自一 式中 。, 为材料抗弯强度 丙 为表面平均初始应力 又 、产 为拉梅常量 。 应力影响层深度图 效作用 , 残余压应力相当于负平均应力时 , 提高疲劳 强度 , 残余拉应力相当于正平均应力时 , 降低疲劳强 度 , 因此激光淬火处理后由于压应力的存在 , 使材料 的抗疲劳寿命得以延长 。 结论 相变层深度随着扫描速率和光斑直径的增 加而减小 , 随着功率的增大而增加 。 激光淬火处理后的 一 材料残余应 力均为压应力 , 其残余应力值达 以上 , 并 随着光斑直径和扫描速率的增大而减小 , 随着激光 功率的增加而增大 。 参考文献 一丙 一 , ‘ 劫 。 命 张恒华 ,许洛萍,邵光杰, 等喷丸强化对轿车用新型齿轮钢表 面应力状态影响的研究〔〕机械工程材料 , , 一 刘宁 , 赵兴中 , 邓宗钢 , 等钢和铸铁相变硬化层的残余应力 研究〔机械工程学报 ,, 一 熊绪刚 , 刘文今 , 张红军 , 等球墨铸铁活塞环激光合金化及其 摩擦磨损特性的研究〔〕金属热处理 , 。 。一 刘文今 , 钟敏霖钢和铸铁激光淬硬的工艺原理探讨中国 表面工程 , 一 蔡俊霞 , 王小海坦克履带销表面强化残余应力分析仁」兵器 材料科学与工程 ,, 一 汝继刚 , 伊琳娜高强铝合金表面强化工艺研究〕稀有金 属 ,, 一 高玉魁 , 殷源发 , 李向斌合金喷丸强化残余应力场的 研究〕材料工程 , 一 张亦良 , 程咏梅 ,徐学东 射线法测试耐乙烯球罐焊接 残余应力的现场应用〔丑实验力学 ,, 一 肖宏滨强力喷丸对接触疲劳性能的影响机理【 〕农业机械 学报 ,, 一 刁 ﹁ 今‘认 厂 ︸尸知﹄ 、,产 自 了、 ︸ ⋯ 习 二 压二丝 刁 门 二﹃卜 厂 ﹃飞‘︼, 行了八污︺厂广厂 式中 尸为激光应力波压力 , 分别为塑性波和 弹性波在材料中的传播速度 。 根据应力层深度 , 可得在弹塑性半无限体中产 生的残余应力 。 , 「 , 虑 ,, 、 乙刁 , 叭 。 丙 。 【于“】一 竺兰皇 。 上 “以 ’‘ 火 一 。 ‘ 尤 、 上’“ 」 “一’ 式中 。 为表面塑性应变 , 为常数为应力影响 层深度为半无限体半径 。 表面残余应力状态对材料的抗疲劳性能有显著 的影响 。 残余应力在疲劳载荷中起着平均应力的等 ﹁ ‘ ︼﹃ 电」 ︼ 心广‘﹂ 厂 上接第页 二〕 , 段 〕 月 即〕 ,, 一 二 〕 , 飞 ,, ” 。 初哪 〕 卯 夕 ,, 一 ,, 仁 〕 。。 豁 。, 罗静卿 , 赵新华 , 周固微乳液法制备纳米」 北京师范大学学报 自然科学版 , , 一 ,、口户书 一 月声命二净,调泞卒泞 书开,舀冲,目冲, 、‘,机械工程材 料网上 远 程 投稿启事 一 一一一一一飞 号‘安圣‘安 润 ︵ 为适应当今期刊网络化 、 数字化的发展趋势 , 我刊经过长期 的筹划与准备 , 建立 了远程在线投 稿 、 审稿系统 , 从年开始正式启用 , 原则上都要从网上进行投稿 。 投稿网站为 “ 材料与测试网 刀 一 ”, 您可以登陆后查阅具体使用指南 , 并可以方便地查阅稿件的处理 情况 。 为了便于您的稿件被我刊录用 , 请您投稿前务必按照我刊的要求对稿件进行检查 、补充和修 订 , 具体要求请参见我刊年第期刊登的 “ 机械工程材料杂志投稿须知 ”。 中,卜山奋,卜 ‘宙分咭中,、奋 、‘ ,,老月卜‘由,卜 ‘由,卜‘宙 卜‘宙,卜 ‘宙,卜‘宙,卜‘叼曰诊咭 喇,卜‘心勺、‘甲分味宙勺咭由甲,油兮、,卜分咭甲份, 口、由 口咭宙 于,奋于咭 喇,卜 ‘宙,卜任官勺卜‘刃勺卜 ‘山,咯古,咭 甲,味 宙,、 卜口勺卜‘宙,、 卜 ‘,、‘宙甲咭、夕,、、卜,卜‘‘刁卜‘ 古,、 尸 , ,, , 硫