表面形变强化后GCr15钢球的显微组织和应力分布*

黄志涛 田文怀

(北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083)

轴承钢球表面形变强化工艺是提高钢球质量的一个重要手段.通过滚压、内挤压和喷丸等机械手段在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层，硬化层的深度可达0.5～1.5 mm.钢球热处理后进行表面形变强化处理可显著提高钢球的表面硬度和终加工后的表面质量，延长其接触疲劳寿命［1-2］.

表面强化过程使得钢球表面产生了一定的机械强化作用，其耐磨性得到较大改善.然而，表面强化后，对于材料加工产生的残余应力，国内的多数研究［3-6］还停留在对表面应力分布的探索中，对表层深度方向的应力分布研究较少;有关亚表层损伤的研究［7-8］，多数也只是针对亚表层损伤形貌特征而展开，没有从力学性能角度系统地进行分析.梅亚莉等［9］曾对不同直径的GCr15钢球表层进行过应力分析，得出残余应力峰值存在于亚表层中的结论，但未给出具体的应力值.文中通过对表面强化加工后GCr15钢球内部的微观组织进行观察，对表面形变强化后钢球的表层结构及内部应力进行分析，以揭示材料的内部组织特征，为指导生产及工艺改进提供参考依据.

1 材料及方法

1.1 材料

实验材料为国内某厂提供的直径为11.32 mm的GCr15轴承钢球.其主要生产工艺为热处理－表面形变强化处理－硬磨－精磨－精研.轴承钢球的化学成分含量(质量分数)见表1.由表1中可以看出，其成分符合标准要求.

表1 GCr15轴承钢球的化学成分Table 1 Chemical composition of GCr15 bearing steel balls

1.2 显微组织分析方法

将轴承钢球沿大圆面切开，制成金相样品.经研磨抛光后，用4%的硝酸酒精溶液进行侵蚀，利用OLYMPUS BX51M金相显微镜对轴承钢球的显微组织进行观察;从试样上切割厚度为0.5 mm的薄片，机械研磨至0.1mm，并将其冲成直径为3mm的圆片，用电解双喷法制备电镜薄膜试样.电解液采用10%的高氯酸酒精溶液，电流为4.5A，用液氮制冷，以满足电解抛光过程所需的温度要求.利用JEM-2100型透射电子显微镜(TEM)对材料的微观组织形态进行观察、分析.

利用DMax-RB RKW旋转阳极X射线衍射仪(XRD)测定钢球残余奥氏体的含量(体积分数).测试条件为:Cu靶，波长0.15406nm，工作电流100mA，工作电压40 kV，步宽0.02°，步进时间1 s.根据《GB/T 15749—1995定量金相手工测定法》，利用其中的网格数点法估算碳化物的含量.

1.3 表面层残余应力及显微硬度的测定

利用MSF-2M型X射线应力测定仪对钢球进行表层应力测定，测定部位分别为距表面0.05、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50 mm处.测量中需对钢球进行电解剥层，以对上述不同深度的残余应力进行准确测定.所用电解液为10%的NaCl溶液，电压为10 V.残余应力测试条件为:Cr靶，光阑发射角1°，管电流10mA，管电压30 kV，辐射面积9 mm2，无滤波片.利用DHV-100数显显微维氏硬度计，由轴承钢球外表面沿对应的径向向内部进行硬度测定，确定钢球沿直径方向的硬度分布状态.

2 结果与分析

2.1 轴承钢球的内部组织表征

2.1.1 轴承钢球的基体显微组织分析

图1为轴承钢球基体的金相显微组织及其TEM照片.从图1(a)中可以看出，基体组织为回火隐晶马氏体、粒状碳化物及少量残余奥氏体的混合体.图1(b)中显示的白色部分为残余奥氏体，其沿隐晶马氏体边界分布，形态有薄膜状和块状两种.

利用透射电镜对图1(a)中所示的粒状碳化物进行了组织观察和晶体结构分析.图2(a)为粒状碳化物的明场像，可以看出碳化物呈球形，直径为500nm左右.图2(b)为球状碳化物的电子衍射谱图，经分析可知，晶体结构属于以面心立方为基的结构类型.图3(a)、3(b)分别为球状碳化物和基体的微区能谱(EDS)图，两相的具体化学成分含量(质量分数)见表2.由表2中可以看出，球状碳化物的碳含量相对较高，且含有Fe、Cr等元素.由于Fe、C原子比接近3.5∶1，因此可以认定球状碳化物与碳素钢中Fe3C的结构类似，属M3C型碳化物.

图1 GCr15轴承钢球基体的金相显微组织及其TEM照片Fig.1 Matrix metallographic microstructure and its TEM image of GCr15 bearing steel balls

图2 GCr15轴承钢球中碳化物的TEM明场像与电子衍射谱图Fig.2 Electron diffraction pattern and TEM bright field image of carbides in GCr15 bearing steel balls

图3 GCr15轴承钢球中碳化物和基体的EDS谱图Fig.3 EDS patterns of carbide and matrix in GCr15 bearing steel balls

表2 碳化物和基体的EDS成分Table 2 Composition of carbide and matrix determined by EDS

2.1.2 轴承钢球亚表层的显微组织

图4为轴承钢球亚表层及基体的显微组织观察结果.从图中可知，其组织可分3部分:首先在距离轴承钢球表面约20～30 μm以内存在一细密组织层;其次是距离轴承钢球表面300 μm以内的区域，为残余应力区域，这在下文2.2.1和2.2.2节残余应力和硬度分布的测定结果中也得到了证实;最后为离轴承钢球表面300μm以外的部分，即未受加工过程影响的基体区域.

2.1.3 残余奥氏体含量

残余奥氏体的体积分数φA按下式计算:

式中，φC为碳化物体积分数，KA、KM分别代表奥氏体相和马氏体相的反射本领，IA、IM分别为奥氏体和马氏体的积分强度.

图5为2θ/θ偶合连续扫描所得的XRD谱及衍射面标定结果.由于《GB 8362—87钢中残余奥氏体定量测定X射线衍射仪法》只适用于中、低碳钢和中、低碳低合金钢中残余奥氏体含量的测定，而GCr15钢属高碳合金钢系，因此，参考X射线定量相分析方法，使用直接比较法测定钢中残余奥氏体的含量［10］，来进行部分参数的计算.经计算可得: KA(200)=117.30、KA(311)=104.19、KM(200)=35.99和KM(211)=75.41.

为得到精确的衍射线积分强度，选A(200)、A(311)、M(200)和M(211)衍射峰进行2θ/θ偶合步进扫描，形成4对马氏体－奥氏体线对，从而得到4个残余奥氏体的体积分数，然后算出平均值，即得样品的残余奥氏体含量.

图4 GCr15轴承钢球表层的显微组织Fig.4 Microstructure of surface layer of GCr15 bearing steel balls

图5 GCr15轴承钢球的XRD谱图Fig.5 XRD pattern of GCr15 bearing steel balls

图6为所选衍射峰的XRD谱图.从图中可以看出，曲线以下的面积即为积分强度，扣除本底影响后可得到计算所需的积分强度，即净积分强度I，如图中所示曲线封闭区的面积.测定结果已在该图中标出.

根据GB/T 15749—1995，利用其中的网格数点法计算碳化物的含量，计算结果为:φC=23.5%.将φC及所得的K与I值分别代入式(1)中，得出4组φA值，取其平均值，计算结果为φA=9.75%.

2.2 轴承钢球应力分布

2.2.1 残余应力分布

利用X射线衍射法测量残余应力沿层深的分布时，经腐蚀剥层后所测的表面残余应力并不等于原始状态时此层处的残余应力，为此，需对对测量数据进行修正.修正依据［11］为式(2)－(4):

式中:σ(i)为修正后残余应力值;σi为试验所测残余应力值;σo(ij，j)与 σo(j+1，j)为修正参数;σo(i，i－1)为第i－1层剥掉后对第i层残余应力影响的修正系数，其它同类型项依次类推;H为试样厚度;Δh为剥层厚度.

图7为GCr15轴承钢球表层未修正及修正后的残余应力分布曲线对比图.由图中可知，轴承钢球表层应力状态为压应力.残余压应力由表面向内部先增大再减小，最大值(－414MPa)出现在距表层0.1mm处;在表层0.3mm以下部分，应力分布趋于稳定.由此可见，经表面形变强化后，钢球表层产生了残余压应力，且应力最大值没有出现在表面，而是出现在亚表层中.

图6 GCr15轴承钢球各衍射峰的XRD谱图Fig.6 XRD patterns of diffraction peaks of GCr15 bearing steel balls

图7 GCr15轴承钢球表层沿径向方向的残余应力分布Fig.7 Residual stress distribution along the diameter from surface layer of GCr15 bearing steel balls

2.2.2 硬度分布

图8为GCr15轴承钢球从外表面向内、沿直径方向的硬度分布测定结果.由图8中可以看出，GCr15轴承钢球的基体平均硬度为HV883.6，硬度最大值为HV931.5，出现在距钢球表面0.1 mm附近.该最大值远大于基体平均硬度HV883.6.在距离表面0.3mm以内，硬度值逐渐接近基体的平均硬度.因此可以认为，强化区深度在0.3～0.5 mm之间.很明显，硬度分布测定结果与应力测试结果较符合.这进一步说明材料经形变强化及研磨后，受影响较大的部位不是表面，而是在表面以下某一深度的亚表层.

图8 GCr15轴承钢球表层沿径向方向的硬度分布Fig.8 Hardness distribution along diameter from surface layer of GCr15 bearing steel balls

通常，残余应力的大小应与残余变形的大小成正比，表面残余变形较大残余应力也应较大.结合2.2.1节中残余应力分布的测定结果，可用弹性理论［12］及文献［13］中结果来解释钢球经表面形变强化后残余压应力的产生及分布规律.由于轴承钢球基体具有较高的硬度和强度，在通常的外力作用下很难发生塑性变形，因此会在一定区域内产生微小的弹塑性变形，使得该区域产生残余应力，即产生残余应力层.强化过程中，钢球表层将发生残余奥氏体转变为马氏体的相变，体积膨胀受到内层约束，故而受压.由于作用于钢球表面上的垂直压力足够大时，塑性变形始于内部，最大静态剪切应力出现在亚表层某一深度处，同时由于表面属于二维平面结构，释放了部分已产生的残余应力，使得残余应力最大部位并不在表面而是存在于亚表层中.生产中，工件表面层的残余压应力可抵消部分工作时的拉应力，使其受力水平降低，从而有效提高工件的寿命.

3 结论

(1)GCr15轴承钢球的基体组织为回火隐晶马氏体、球状碳化物以及少量残余奥氏体的混合体.

(2)球状碳化物与碳素钢Fe3C结构类似，属M3C型碳化物，残余奥氏体含量为9.75%，在隐晶马氏体晶界处以薄膜状和块状两种形态存在.

(3)钢球表面形变强化后，在GCr15轴承钢球的表层产生了残余应力层，其分布深度大约为0.3mm，残余应力峰值并不在表面而是存在于亚表层中，即在距离表面下0.1mm附近.残余应力的分析对生产实践中应力的去除及利用具有重要的参考价值.

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