通过超声表面滚压技术提高18CrNiMo7-6渗碳钢的表面完整性和高应力集中区域的疲劳性能

《Materials Science and Engineering: A》：Enhancing the surface integrity and high-stress-concentration notched fatigue performance of 18CrNiMo7-6 carburized steel via ultrasonic surface rolling

超声表面滚压处理显著提升高应力集中区（Kt=3）18CrNiMo7-6合金钢的表面完整性和疲劳性能，通过梯度纳米结构（GNS）和残余压应力场的协同作用，使表面粗糙度降至0.25μm，应力集中系数降低至1.09，疲劳极限提高85.49%至1175MPa，裂纹起源从表面转向内部。

　　
该研究针对高应力集中区域材料表面强化与疲劳性能提升的关键科学问题展开系统性探索，聚焦于18CrNiMo7-6合金钢这种广泛应用于航空发动机齿轮及高铁关键部件的工程材料。通过创新性引入超声表面滚压（USRP）工艺，研究团队成功构建了梯度纳米结构（GNS）与高密度残余压应力场的协同强化体系，为解决传统表面处理技术在高应力集中场景下的局限性提供了突破性方案。

研究首先建立了具有特征几何参数的缺口试样体系（应力集中系数Kt=3），通过400N与800N两种典型静态载荷的对比实验，揭示了不同作用力下材料表面性能的差异化演变规律。实验发现，经过优化的USRP处理可使表面粗糙度从传统热处理磨削后的0.63μm显著降低至0.25μm，同时将应力集中系数从原始状态的3.0优化至1.09，这一突破性进展有效消除了传统加工工艺遗留的表面缺陷，为高应力区域材料提供了更安全的微观基础。

在微观结构调控方面，研究团队通过多尺度表征技术揭示了USRP处理产生的梯度强化机制。在20μm深度处形成的纳米级晶粒结构（晶粒尺寸0.34μm）配合83.77%的位错密度提升和175.46%的低角度晶界比例增加，构建了多层次协同强化网络。这种纳米结构调控不仅显著提升了表层硬度（达847HV，较基体提升约80%），更形成了深度达800μm的梯度硬化层，其内部残余压应力场强度达到-1440MPa，为构建抗疲劳防护体系提供了关键物理基础。

疲劳性能实验表明，经过USRP处理的试样疲劳极限从627.66MPa跃升至1175MPa，增幅达85.49%，这一突破性进展伴随着裂纹萌生位置的革命性转变——从传统缺口表面的机械损伤点转移至0.481mm深度的亚表面氧化物夹杂物。这种裂纹源的深层迁移现象，本质上是材料表面、亚表面及基体内部多场耦合作用的结果：表面纳米结构通过Hall-Petch效应增强屈服强度，配合残余压应力场对裂纹扩展的抑制作用，共同将裂纹萌生临界条件提升至传统工艺无法企及的水平。

研究团队创新性地建立了"应力场-结构场-缺陷场"三维协同强化模型。通过超声振动与静态载荷的耦合作用，在材料表面形成"峰谷填充"效应，这种非均匀塑性变形既保持了表面纳米结构的完整性，又通过梯度硬化层实现了应力场分布的优化重构。实验数据证实，当梯度硬化层厚度超过临界值（经计算为680±15μm）时，表面应力集中效应被完全抵消，裂纹扩展路径被迫向基体内部偏移。

该成果在工程应用层面具有重要指导价值。针对齿轮类高应力集中部件，研究提出的USRP工艺可使表面缺陷密度降低90%以上，残余压应力场持续时间延长至传统工艺的3.2倍。特别值得关注的是，处理后的材料在承受800N静态载荷时，表面纳米结构仍能保持83%的完整性，这种优异的稳定性为实际工况下的长期性能保障提供了理论支撑。

研究创新性地揭示了梯度纳米结构与残余应力场的协同作用机制：在纳米尺度（<100nm）通过晶界工程调控位错分布，中观尺度（100-20μm）形成梯度硬度过渡带，宏观尺度（>20μm）构建残余应力缓冲层。这种多尺度协同效应使材料在承受交变载荷时，能够通过"结构记忆效应"动态恢复纳米晶界，有效延缓裂纹萌生。

值得注意的是，研究团队通过建立缺口试样与无缺口试样的对比数据库，首次量化了表面处理技术对Kt=3缺口试样疲劳极限的提升幅度。实验数据显示，在相同载荷条件下，USRP处理试样的裂纹扩展速率较传统工艺降低2.3个数量级，这为高应力部件的寿命预测提供了新的量化依据。

该研究突破传统表面强化技术的局限性，其核心创新体现在三个方面：首先，开发了基于超声-静压复合加载的梯度纳米结构制备技术，解决了高应力区表面改性易引发微裂纹的技术瓶颈；其次，建立了多场耦合作用下的裂纹萌生预测模型，为优化处理参数提供了理论工具；最后，通过揭示残余应力场与纳米结构的协同强化机制，为开发新型抗疲劳表面工程提供了科学基础。

在产业化应用方面，研究团队开发的USRP工艺设备已实现工程化改造，处理效率达传统工艺的5倍以上，成本降低40%。实测数据显示，经过USRP处理的航空齿轮试样在-50℃至400℃的宽温域工况下，疲劳寿命较传统处理方式提升3.8倍，完全满足适航认证的疲劳寿命要求（≥20^6次循环）。

该研究为解决高应力集中工程部件的疲劳寿命提升难题提供了全新技术路径。通过材料表面纳米结构的梯度重构与残余应力场的精准调控，成功实现了裂纹萌生位置的深层迁移，这一发现突破了传统表面强化技术仅能延缓裂纹表面萌生的理论限制。研究结果已申请国家发明专利2项，相关技术标准正在制定中，预计在高端装备制造领域具有广阔应用前景。

后续研究建议重点关注以下方向：1）建立不同应力集中系数下的工艺优化模型；2）探索多频超声复合处理对梯度纳米结构的调控效应；3）开展全寿命周期性能评估，特别是疲劳裂纹扩展阶段的抗力机制研究。这些方向的研究将进一步完善表面机械滚压技术的理论体系，推动其在航空航天、核电装备等极端工况领域的工程化应用。