精密机床轴承基体材料热力场下组织演化与尺寸变化研究

发布时间：2020-09-29 22:01

　　精密机床轴承是支撑主轴高速旋转的关键零部件,轴承套圈在长期存放和服役过程中,由于残余奥氏体和马氏体等亚稳组织转变,将导致其尺寸精度的变化,严重影响轴承寿命,因此有必要对其组织演变和尺寸变化规律进行研究。对精密机床轴承基体材料在温度场下的组织转变动力学和组织演化规律进行了研究。通过DSC数据计算得到了残余奥氏体分解和碳化物转变的激活能,分别为109.4 kJ/mol和179.4 kJ/mol,建立了不同等温条件下的组织转变动力学模型,并表明提高时效温度可以加速组织转变。不同温度下(140、160、180℃)的时效实验结果证明了模型的准确性和可靠性,表明提高温度不仅能促进残余奥氏体分解,还会使其相内碳浓度升高,提高其热稳定性;同时碳化物会以过渡碳化物-亚稳碳化物-渗碳体这样的方式来进行转变,它们的含量、大小和分布等都会发生变化,并影响材料的性能指标,使洛氏硬度在时效过程中逐渐下降。对精密机床轴承基体材料在热力场下的时效动力学和组织演化规律进行了研究。热膨胀曲线表明拉应力会影响残余奥氏体分解和碳化物转变的温度区间,加速整个时效过程;通过进一步计算,得到了它们在40MPa拉应力下转变的激活能分别为121.5 kJ/mol和94.7 kJ/mol,并建立了应力时效动力学方程;通过与温度场下的组织转变激活能对比,表明拉应力能略微提高残余奥氏体的机械稳定性,并大幅促进碳化物转变。不同应力下(0、20、40MPa)连续升温至300℃实验和温度-应力耦合时效实验的结果也表明,应力能使残余奥氏体的相内碳含量略有提高,并在时效初期使碳化物析出更加均匀,碳化物的平均直径更小,小颗粒占比也更多。在组织转变动力学的基础上,建立了组织演变与尺寸变化之间的关联机制,即尺寸变化预测模型。残余奥氏体分解引起的尺寸增大和碳化物转变导致的尺寸缩小,将共同决定时效过程中的尺寸变化。模型充分考虑了组织转变动力学、碳浓度变化、碳化物转变的来源等多方面因素,比传统的预测方法更加准确,也得到了文献数据及实验数据对模型的理论和实验验证。模型能较好的对尺寸变化的大小和趋势进行预测,从而能为轴承套圈的精度控制提供理论指导。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG502
【部分图文】：

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武汉理工大学硕士学位论文SC 的实验原理主要是利用了样品在反应过程中明显的吸热或者放器的简单原理图如图 2-1 所示。样品和参比物在相同的实验条件下降温，样品由于发生了组织转变或结晶等化学反应，会出现吸热或物通常是空白坩埚或者不会产生热效应的物质，因此它们之间就 ΔT。当仪器通过相应的放大电路实时检测到温度差 ΔT，就会立刻热电流和功率，从而对热量进行补偿，使温度差 ΔT 平衡，这也是率补偿型的原因。通过改变电流和功率而得到的热量补偿，被记录变化关系，即 DSC 曲线。

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图 2-2 Gleeble3500 热模拟试验机温度-应力耦合时效实验要实现温度-应力耦合加载的实验条件，然而目前还没有专门用于应力时效的实验装置和设备。常用的温控恒温箱仅能提供温度场，可进行人工时效，却难以将应力加载装置放入其中进行应力时效；带恒温箱的电子万能试验机可以同时进行温度-应力加载，但它通常用于高温拉伸实验，长时间的应力时效实验会损坏试验机；而最满足应力时效条件的高温蠕变试验机，多用于材料的蠕变性能测试，很少用于材料的时效处理实验，而且该设备价值昂贵、占地面积大、实验成本高。因此自行设计了一种温度-应力耦合时效的实验装置，利用它可以对时效过程中温度的高低、应力的大小等影响因素进行调节控制。它能够实现的最大拉应力载荷为 80 MPa，最高温度可达 400 ℃，可以基本满足不同条件下的温度-应力耦合时效实验，并以此来研究材料在应力时效过程中的组织演变。其设计装配图以及实物图如图 2-3 所示。

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