[发明专利]一种预测金属材料表面强化后硬化层深度的方法

说明书

本发明公开了一种预测金属材料表面强化后硬化层深度的方法，属于金属材料性能预测技术领域。该方法主要包括三大部分：求解预测金属材料表面硬化层深度公式中的两个参数，获取金属材料的加工硬化指数，预测金属材料表面强化后的硬化层深度。利用本发明可以快速准确预测金属材料表面强化后硬化层的深度，节省了大量实验时间和费用。基于此发明可以指导金属材料的表面强化设计，对金属材料的疲劳延寿具有重要的科学和工程意义。

技术领域

本发明涉及金属材料性能预测技术领域，具体涉及一种预测金属材 料表面强化后硬化层深度的方法。

背景技术

为提高金属材料在服役过程中的疲劳寿命，多种材料的强化理论和 方式被应用到构件的制备和加工过程中。其中，表面强化作为提高金属 材料疲劳的常用方法之一，其强化方法、变形机理、对疲劳性能的影响 等得到了广泛的研究。

近年来，以高速运动的粒子冲击金属表面或者高速旋转的压头在表 面进行碾压等强化方法，包括喷丸、高能喷丸、超声喷丸、表面机械研 磨、表面机械轧制、表面机械滚压等被开发出来强化金属材料。经过表 面强化后，金属表面形成梯度硬化层。从基体到最表层，晶粒可以从基 体的粗晶细化到最表层的纳米晶，组织表现出明显的梯度特征，整个硬化层可以分为纳米晶区、超细晶区、细晶区、粗晶区。与此同时，较大 的残余应力引入到硬化层中，最表层为最高的残余压应力，沿着深度方 向逐步梯度变化到残余拉应力。除组织和残余应力外，硬度从最表层的 最高值到基体的稳定值逐渐减小，同样表现出梯度特征。

在表面强化过程中，表层发生严重塑性变形，离最表面越近，变形 越严重。通过应力(剪切应力和压应力)和变形的作用下，原始粗大的 晶粒沿轴向逐渐被拉长成细带状，形成纤维状组织，材料内部位错密度 急剧增大，部分晶粒被打碎。持续作用下，晶粒尺寸成梯度细化。在梯 度硬化层中，主要的强化方式是细晶强化和形变强化，将大量地位错和 亚晶界引入硬化层中。对于层错能较低的金属，还有大量地孪晶(包括 纳米孪晶)引入到硬化层中。位错与位错、晶界的相互作用，使硬化层 的性质(抗疲劳裂纹萌生、耐磨性等)得到大幅提升。

经过表面强化处理的金属材料在循环载荷作用下，表现出较好的疲 劳性能，疲劳寿命得到有效提高。其主要原因是表面硬化层有效地抑制 了裂纹萌生，并阻止裂纹扩展。因此，表面强化处理与疲劳性能提高是 息息相关的。表面强化引起的疲劳性能提升，当前研究的重点主要分为 以下几部分。一是表层晶粒细化及变形而产生的梯度硬化层，分析其晶 粒尺度、位错密度、晶界(包括孪晶界)等对疲劳过程的影响；二是研 究表层引入的参与压应力的作用，分析其对疲劳过程的影响。

当前，金属表面强化机制研究主要集中在微观组织演变、变形机制、 残余应力分布等。对硬化层中微观组织结构和力学性能变化规律的研究 仍然较少。关于如何评价和预测硬化层的性质，尤其是硬化层的深度非 常重要。本发明通过研究影响硬化层深度的因素，提出一种预测硬化层 深度的方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种预测金属材料表面强化后硬化层深度的方 法，该方法能够快速准确预测金属材料表面强化后硬化层的深度，节省 了大量实验时间和费用。基于此发明可以指导金属材料的表面强化设计， 对金属材料的疲劳延寿具有重要意义。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种预测金属材料表面强化后硬化层深度的方法，包括如下步骤(1) -(4)：

(1)建立待测金属材料表面硬化层深度预测模型，该模型如公式(4) 所示：

λ＝Ce^bn (4)；

公式(4)中，λ为硬化层深度；C和b为与待测材料相关的参数， n为加工硬化指数；