离散激光表面硬化与超声表面滚压联合作用对Cr-Ni-Mo钢耐磨性和疲劳性能的增强效果

《Surface and Coatings Technology》：Synergistic strengthening effect of discrete laser surface hardening and ultrasonic surface rolling on the wear and fatigue behaviors of Cr-Ni-Mo steel

协同强化处理对Cr-Ni-Mo钢表面性能影响研究。DLSH与USR协同处理使表面疲劳极限达753MPa，较未处理提升16.6%，较单独DLSH处理提升30.3%，同时降低表面应力集中至1.56，优化磨损与疲劳性能平衡。

　　在现代工业技术不断发展的背景下，材料表面性能的优化已成为提高机械部件使用寿命和工作可靠性的重要研究方向。特别是在轻量化和高功率密度设计概念日益普及的今天，表面接触应力和不稳定性显著增加，使得表面磨损问题愈发严重。因此，如何在提升表面性能的同时，避免因单一强化手段导致的性能失衡，成为材料科学领域亟需解决的问题。针对这一挑战，本文探讨了离散激光表面硬化（DLSH）与超声表面滚压（USR）联合处理对Cr-Ni-Mo钢表面性能的影响，重点分析其在微观结构、相变、耐磨性和抗疲劳性能方面的变化，并进一步揭示了这种联合处理机制如何实现对表面性能的协同提升。

离散激光表面硬化是一种基于仿生学和相变强化理论的新型表面强化技术，其核心在于利用高能激光束在Fe基合金表面产生局部的相变硬化效应。该技术通过精确控制激光参数，可以在材料表面形成多个高硬度、细晶粒的马氏体区域，从而显著提升表面的耐磨性能。然而，这种强化方式也伴随着一定的问题，例如表面残余拉应力的增加，以及硬化区与基体之间的硬度差异可能导致的应力集中现象。这些问题在一定程度上会降低材料的抗疲劳性能，限制其在复杂工况下的应用。

相比之下，超声表面滚压是一种机械强化技术，其通过高频超声振动与静态压力的协同作用，使材料表面发生剧烈变形，从而引入微观结构如位错和孪晶等，实现晶粒细化和表面状态的改善。研究表明，这种处理方式不仅能有效提升表面强度，还能改善表面应力集中状态，进而提高材料的抗疲劳性能。同时，超声表面滚压还能在一定程度上改善表面的耐磨性能，其机制在于通过调整表面结构和残余应力状态，提升表面的综合性能。

本文通过实验研究，探讨了DLSH与USR联合处理对Cr-Ni-Mo钢表面性能的影响。实验结果表明，DLSH处理后的表面具有较高的耐磨性，其磨损率较未处理表面降低了85.6%。而DLSH+USR处理后的表面耐磨性进一步提升，磨损率降低了95.6%。尽管DLSH处理在一定程度上会降低材料的抗疲劳性能，但USR处理能够有效抑制这种负面影响，使得表面的抗疲劳性能得到显著改善。具体而言，DLSH+USR处理后的材料疲劳极限达到了753 MPa，比未处理和DLSH处理后的材料分别提高了16.6%和30.3%。

这种性能提升的机制可以从多个方面进行分析。首先，DLSH处理过程中，由于激光加热导致的热膨胀效应，使得表面出现明显的应力集中现象。此外，硬化区与基体之间的硬度差异也会加剧这种应力集中，从而降低材料的抗疲劳性能。然而，USR处理能够通过引入高密度的位错结构，有效缓解表面的应力集中现象，使得表面的应力分布更加均匀。同时，USR处理还能通过表面变形引入残余压应力，这种压应力在材料疲劳过程中具有抑制裂纹萌生的作用。

此外，USR处理还能改善表面结构的分布，使得原本因激光硬化而形成的硬脆区域更加均匀，从而减少表面磨损过程中的裂纹扩展。这种联合处理方式不仅能够优化表面的微观结构，还能改善表面的相变分布，使得材料表面在耐磨性和抗疲劳性之间实现更好的平衡。实验结果表明，经过DLSH+USR处理后的材料，其表面硬度过渡更加平缓，裂纹萌生点被转移到内部，从而提升了整体的疲劳寿命。

从材料表面的形态变化来看，DLSH处理后的表面呈现出明显的表面结构变化，例如形成多个高硬度的圆形凸起。而USR处理能够进一步改善这种表面结构，使其更加平滑。这种表面形态的优化不仅有助于减少表面摩擦和磨损，还能提升表面的抗疲劳性能。同时，USR处理能够有效减少表面的残余拉应力，将其转化为有益的残余压应力，从而抑制裂纹的萌生和扩展。

综合来看，DLSH与USR联合处理是一种能够有效解决单一强化手段带来的性能局限性的方法。通过DLSH的相变强化作用和USR的机械强化作用的协同，可以实现对材料表面性能的全面提升。这种联合处理方式不仅能够提高材料的耐磨性和抗疲劳性能，还能改善表面的微观结构和相变分布，使得材料在复杂工况下表现出更好的综合性能。

在实际应用中，许多关键部件（如齿轮、轴承和发动机曲轴）不仅承受持续的磨损，还反复经历交变载荷。因此，仅提升某一方面的性能可能无法满足实际需求。而DLSH与USR联合处理则能够在耐磨性和抗疲劳性之间实现更好的平衡，从而确保材料在长期使用中的可靠性。这种处理方式不仅适用于Cr-Ni-Mo钢，还可能拓展到其他类型的合金材料。

此外，本文还通过分析材料表面的微观结构和相变分布，揭示了DLSH与USR联合处理的协同机制。实验结果表明，DLSH处理后的表面虽然具有较高的硬度，但由于硬化区与基体之间的硬度差异较大，容易导致表面应力集中。而USR处理能够通过引入高密度的位错结构，缓解这种应力集中现象，使得表面的应力分布更加均匀。同时，USR处理还能改善表面的微观结构，使其更加均匀和致密，从而提升表面的整体性能。

从材料表面的相变来看，DLSH处理主要通过马氏体相变实现表面强化，而USR处理则通过机械变形引入位错和孪晶等微观结构，实现晶粒细化和表面状态的改善。这种相变和结构的变化不仅影响材料的表面硬度，还对其疲劳性能产生重要影响。实验结果表明，DLSH+USR处理后的材料表面相变更加均匀，结构更加致密，从而提升了材料的综合性能。

本文的研究成果表明，DLSH与USR联合处理是一种具有广泛应用前景的表面强化技术。通过这种联合处理，可以在不牺牲材料整体性能的前提下，显著提升表面的耐磨性和抗疲劳性能。这对于提高机械部件的使用寿命和工作可靠性具有重要意义。同时，这种处理方式也为其他类型的合金材料的表面强化提供了新的思路和方法。

在材料表面处理技术的发展过程中，DLSH与USR联合处理的出现标志着表面强化技术从单一手段向多手段协同发展的趋势。通过这种协同处理，可以充分发挥不同强化机制的优势，弥补单一处理方式的不足，从而实现对材料表面性能的全面提升。这种技术不仅适用于Cr-Ni-Mo钢，还可能适用于其他类型的金属材料，为材料科学和工程应用提供了新的可能性。

综上所述，DLSH与USR联合处理在提升Cr-Ni-Mo钢表面性能方面表现出显著的优势。通过实验研究，我们不仅验证了这种处理方式对耐磨性和抗疲劳性能的提升效果，还揭示了其背后的协同机制。这种处理方式的广泛应用，将有助于提高机械部件的使用寿命和工作可靠性，为工业生产提供更加可靠的技术支持。