【摘 要】
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40CrNiMoA钢是广泛应用于机械关键承载结构零部件和装备的钢铁材料。机械结构零部件在表面接触、疲劳载荷和振动激励工况下无法避免微动疲劳现象。在微动疲劳服役条件下机械构件的疲劳寿命因表面微动损伤作用显著降低,由此产生的断裂性损伤,可能造成毁灭性机械故障。因此,如何减缓微动疲劳损伤,显著地延长微动疲劳寿命是一个重要的科学问题。通过对金属材料表面采用严重塑性变形（SSPD）的方法,诱导梯度纳米结构（
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40CrNiMoA钢是广泛应用于机械关键承载结构零部件和装备的钢铁材料。机械结构零部件在表面接触、疲劳载荷和振动激励工况下无法避免微动疲劳现象。在微动疲劳服役条件下机械构件的疲劳寿命因表面微动损伤作用显著降低,由此产生的断裂性损伤,可能造成毁灭性机械故障。因此,如何减缓微动疲劳损伤,显著地延长微动疲劳寿命是一个重要的科学问题。通过对金属材料表面采用严重塑性变形（SSPD）的方法,诱导梯度纳米结构（GNS）、获得残余压应力（CRS）和表面加工硬化（SWH）均可以大幅提高金属材料的表面耐磨性、耐蚀性（抗氧化）和抗疲劳性。这类处理工艺在提高金属材料的微动疲劳性能方面具有显著优势。基于此,本文采用超声表面滚压以及磨料水射流喷丸与超声表面滚压高能复合改性技术对40CrNiMoA钢进行了表面改性处理,并在自主设计的微动疲劳实验装置上进行了微动疲劳实验。通过结合激光共聚焦扫描显微镜（CLSM）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、聚焦离子束（FIB）、透射电子显微镜（TEM）以及能谱仪（EDS）等检测和分析手段探索和比较了40CrNiMoA钢在不同表面改性处理工艺下获得的梯度纳米结构（GNS）的表面形貌,表层微观组织结构,残余应力和显微硬度等表面完整性参数的变化规律;深入分析了40CrNiMoA钢表面完整性参数对微动疲劳性能的影响,阐明了该材料在不同表面改性条件下的微动疲劳机理。主要研究内容和结论为:（1）系统研究了未经表面处理和经不同工艺参数的超声表面滚压处理的40CrNiMoA钢在梯度纳米结构的层深,表面形貌,表层微观组织结构,残余压应力和显微硬度等表面完整性相关参数的变化规律。研究发现,经9道次,900N的静压力超声表面滚压处理后的40CrNiMoA钢表面完整性更优越。试样SSPD层深达450μm,表面残余压应力和最大残余压应力分别为919 MPa和1251 MPa,相比于未处理试样,分别提高了554 MPa和886 MPa;其表面显微硬度为790.3HV,与未处理试样的481.5 HV相比,提高了64.1%。（2）深入研究了超声表面滚压处理40CrNiMoA钢的表层微观组织结构,发现SSPD层的微观组织结构由表及里依次为等轴纳米晶、片层纳米晶、弯曲马氏体结构,晶粒尺寸呈梯度变化规律。其中,在试样最表层,马氏体晶粒尺寸细化至纳米级,碳化物也发生显著细化及溶解,位错增殖明显。材料梯度结构强度由晶粒细化强化、位错强化和析出强化联合贡献。（3）系统研究了未改性40CrNiMoA钢试样的表面磨损机制、微动疲劳极限和疲劳机理。在频率为110 Hz,正压力为200 N状态下未改性试样微动疲劳极限为330 MPa。研究表明,未改性试样接触微动磨损表面具有氧化磨损、磨粒磨损、粘着磨损和疲劳分层综合特征。此时,其疲劳裂纹源萌生于应力集中更明显、表面微动磨损更严重的接触边缘磨损微凹坑底部,裂纹初期扩展与表面平行方向成50°锐角方向扩展至一定深度后转向垂直于试样的快速扩展至最终失稳断裂。（4）对比研究了未改性和不同道次超声表面滚压40CrNiMoA钢试样的表面磨损机制、微动疲劳极限和疲劳机理。结果表明9道次超声表面滚压试样的微动疲劳极限值最高（550MPa）。相比于未改性试样,该值增加了66.7%。超声表面滚压改性获得的GNS、诱导CRS和SWH防止了微动疲劳源过早形核,抑制了裂纹快速扩展,改变了裂纹扩展路径。裂纹扩展初期,其扩展方向与表面平行方向夹角约为20°,裂纹扩展路径为锯齿状。研究发现微动疲劳极限的显著增加与材料表面磨损机制的转变和表面完整性的优化有关。与未处理试样相比,超声表面滚压处理后40CrNiMoA钢试样的表面磨损机制转变为粘着磨损、疲劳磨损和轻微氧化磨损。其表面磨损程度改善,微动疲劳裂纹源数量减少,起裂角变小,裂纹扩展区的疲劳条带棱边界清晰,条带间距减小,裂纹扩展速率降低。（5）对比研究了未改性处理和磨料水射流喷丸与超声表面滚压高能复合表面改性处理40CrNiMoA钢试样的微动磨损机制、微动疲劳极限和疲劳机理。相比于未改性试样,复合改性试样的微动疲劳极限为525 MPa,增加了59.1%。其表面微动磨损机制以粘着磨损、氧化磨损及分层剥落为主要特征。复合改性获得明显的加工硬化效果、合理的残余压应力梯度、显著增加的晶界数量以及改善的表面形貌。它们协同作用,影响了微动疲劳裂纹萌生和扩展,提高了材料的抗疲劳性能。但由于磨料水射流喷丸与超声表面滚压高能复合表面改性的试样表面存在少量折叠微缺陷,导致复合改性微动疲劳性能略低于超声表面滚压改性试样。
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