金属材料超声加工表面改性及机理研究

发布时间：2020-11-21 12:41

　　 本文利用一种新型表面处理技术——超声加工(USM)技术对金属材料(球墨铸铁、45钢)进行固定参数的表面改性处理。以杆件、平面试样和工程样件(电机端盖)为对象,采用扫描电镜(SEM)、白光共焦三维显微镜、X-射线衍射分析(XRD)、万能试验机、显微硬度仪等测量分析手段,系统地研究了超声加工技术对金属材料的表面形貌、微观结构、摩擦学性能、机械性能的影响,并对其原因进行了分析,探讨了超声加工的晶粒细化机理。本文的主要研究结果如下:(1)对试样表面三维形貌与微观几何尺寸的测试发现:经过超声加工后,球墨铸铁材料的表面粗糙度明显降低,杆件、平面试样及电机端盖的表面粗糙度Ra值变化率为-35.29%、-81.13%、-76.98%;尺寸变化分别为-8μm、-10μm、-10μm;试样表面加工区与未加工区交汇处产生了高约30μm的材料凸起。超声加工对降低材料表面粗糙度效果明显,但存在对几何尺寸的影响。(2)力学性能试验结果表明:经过超声加工后,材料表面显微硬度显著提高,其中球墨铸铁提高25.5%,影响深度为0.6-0.8mm;45钢提高12%,影响深度为1.5mm-2mm。超声加工试样的抗拉强度降低、屈服强度增加,屈强比变大。超声加工球墨铸铁试样拉-拉疲劳寿命得到明显的提高,这是超声加工产生晶粒细化层、加工硬化、残余压应力、表面形貌等因素共同作用的结果。(3)在油润滑条件下,对GCr15球与超声/未超声处理球墨铸铁盘进行球盘摩擦学试验,发现超声加工摩擦副摩擦系数较未超声加工处理试样摩擦副相比有大幅降低;经过超声加工处理试样表层的磨损及对偶件GCr15的磨损量均有大幅度降低,试样表面的磨损机理也有所不同。超声加工能使材料的减摩、抗磨性能得到明显改善。(4)超声加工的振动冲击使金属材料表层组织发生剧烈的塑性变形,试样表面形成约100μm的塑性流变层;材料表层剧烈的塑性变形通过新晶界的形成以及位错移动等形式进行释放,最终造成晶粒细化和表面硬化,实现了表面机械强化。有限元仿真分析发现,超声刀具进给方向有明显的塑性变形,角度、深度的变化趋势与显微观察到的微观结构变化趋势一致。
【学位单位】：机械科学研究总院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG663
【部分图文】：

图 1-1 超声加工装置示意图v=0.12mm/s振幅硬质工具头F轴向进给未加工面加工面挤压量弹性回复量图 1-2 超声加工表面强化原理工技术的发展，都需要形成一套完整的基础理论才叶开始，各国科研人员对超声波加工进行了较多的了好几种分支，不同类型超声加工情况较为复杂，争议。目前，国内外有关超声加工的研究主要针对件对工件质量的影响[18-21]、磨粒及变幅杆的有限元

第二章 试验设备与材料章根据试验的要求，制定出可行的科学技术路线；结合技术路线的要求制试样和拉伸试棒，根据试验目的对其进行超声加工表面处理。重点介绍了、摩擦学试验设备，此外还简单介绍了各种试验检测仪器，试验材料性能部分的数据处理方法。验技术路线 2-1 为论文的整体技术路线图。本论文着眼于超声加工对金属材料表面及能影响的研究。针对铸铁、45 钢试样和高铁机车电机端盖实物，进行表面处理；对比研究超声加工对材料表面微观形貌、几何尺寸、抗拉伸强度、度性能、残余应力分布及尺寸随时间变化的影响；结合有限元仿真方法，加工对金属材料表面作用机理。

A 为振幅，p 为刀具进给速度。车床直试样表面方向对试样进行高频撞击且沿具头直接与试样接触，工具头材料为金刚防止在黏附现象的出现。该超声加工装置面加工效果较好等诸多优点。在超声加工质量、硬度有着重要影响。通常在一定范越大，表面粗糙度越低。进给量越小，表值也越小，但是加工效率会相应降低。诸此，要更加金属表面需要达到的表面质量2-5 为超声加工试棒和圆盘的三维示意图
【参考文献】

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本文编号：2893014