激光表面重熔对退火70Mn态钢拉伸性能的影响.pdf

机械设计与制造122Machinery Design&Manufacture第8 期2023年8 月激光表面重熔对退火7 0 Mn态钢拉伸性能的影响张有为，龙日升，张义民，孙伏文（沈阳化工大学装备可靠性研究所，辽宁沈阳110 142）摘要：为了探究激光表面重熔对退火态7 0 Mn钢拉伸性能的影响，在扫描速率10 mm/s、功率40 0 W和氩气保护的条件下，制备了“条纹型”“网格型”和“混合型”图样的重熔拉伸试件；获得了激光重熔区的显微组织、不同图样试件的拉伸性能及其断口微观形貌。试验结果表明：“条纹型”和“混合型”重熔图样未对退火态7 0 Mn钢的抗拉强度产生明显影响，而“网格型”重熔图样试件的抗拉强度降低了8.4%；不同重熔图样对屈服强度无明显影响；与光滑试件相比，“条纹型图样对伸长率几乎无影响，“网格型”试件的伸长率降低了16.96%，“混合型”试件的伸长率降低了9.11%。关键词：7 0 Mn；激光表面重熔；拉伸性能；显微组织；断口形貌中图分类号：TH16；T H 133.3；T P391.9文献标识码：AEffect of Laser Surface Remelting on the Tensile Properties of Annealed 7oMn Steel(Institute of Equipment Reliability,Shenyang University of Chemical Technology,Liaoning Shenyang 110142,China)Abstract:To study the influence of laser surface remelting on the tensile properties of annealed 7OMn,three kinds of remelted pat-te“striegidandmdrerod uing thfollwing aramees isnng ratem/aserowe0and opening argon gas.The microstructure,the tensile properties and fracture morphology of samples were researched.The resultsshow thatstripeandmixedremelted patterns have no significant effect on the tensile strength,whilegridpatterns can decreasethe tensile strength by 8.4%.The effect of all remelted patterns on yield strength is not obvious.Compared with the smooth one,thestripepattern has litle effect on the elongation,the elongation of gridis reduced by 16.96%,and the elongation ofmixedisdescendedby9.11%.Key Words:70Mn;Laser Surface Remelting;Tensile Properties;Fracture Appearance Morphology文章编号：10 0 1-3997(2 0 2 3)0 8-0 12 2-0 4ZHANG You-wei,LONG Ri-sheng,ZHANG Yi-min,SUN Fu-wen1引言随着科技的快速发展，机械装备尤其是工程机械对材料性能的要求越来越高。文献认为工件表面首先被破坏是导致其失效的一个重要原因,若仅采用单种高性能材料制成零部件，会增加制造成本。因此,利用表面改性技术来提高工件的表面性能一直都是学术与产业界的研究热点。激光表面重熔(LaserSurfaceRemelting,LSR)可以在不添加任何金属元素的情况下，使用激光束将金属表面局部熔化后又快速冷却来达到改变材料表面特性(包括机械性能、接触疲劳性能、热疲劳性能和耐磨性能等)的目的 2 3。文献 41运用LSR技术强化了蠕墨铸铁气门座表面,并分析激光表面重熔后蠕墨铸铁气门座重熔区的显微组织、硬度分布、宏观形貌以及重熔层是否存在裂纹。文献 5使用千瓦级Nd:YAG脉冲激光器对HT200表面进行强化，分析了熔池形貌、表面粗糙度、显微硬度及结构，得出了最佳工艺参数。文献 6 采用激光表来稿日期：2 0 2 2-0 6-0 3基金项目：NSFC-辽宁联合基金重点项目（U1708254)；辽宁省自然科学基金面上项目（2 0 19-MS-258)；辽宁省教育厅科技项目（LJ2019003）作者简介：张有为，（1994-），男，吉林松原人，硕士研究生，主要研究方向：激光重熔；张义民，（1958-），男，吉林长春人，博士研究生，博士生导师，教授，主要研究方向：机械动态设计、机械可靠性设计等面重熔技术对H13钢表面进行了处理，研究了功率密度对重熔区大小的影响。文献 7 研究了网格型仿生重熔图样的单元间距对拉伸性能的影响，发现重熔区组织变化是提高网格试件显微硬度、抗拉强度和屈服强度的主要原因。文献 8 研究了激光重熔处理对活塞铝合金组织与性能的影响。与重熔前相比,活塞铝合金的拉伸强度由2 6 3MPa提高到344MPa，提高了31%。经过时效处理后，其拉伸强度更由2 6 3MPa提高到38 7 MPa，提高了47%。70Mn钢主要用于制造耐磨、载荷较大的机械零件，如弹簧、离合器盘、锁紧圈、石油钻机上的滚动轴承以及要求耐大冲击负荷的轴承及其滚动体等 9。国内外关于7 0 Mn钢激光表面重熔对其拉伸性能影响的研究尚未见报道。这里指在通过研究不同重熔图样对退火态7 0 Mn钢拉伸性能的影响，为后续热处理后激光表面重熔试件的拉伸强度与摩擦磨损性能研究提供对比和参考。第8 期2试验材料与方法2.1 试验材料试验选用2 mm厚的退火态7 0 Mn钢板（采购自上海宝钢），硬度约为8 0 HRB。通过激光切割的方式加工成的薄板条状拉伸试件，如图1所示。7 0 Mn钢的化学成分，如表1所示。40图17 0 Mn钢拉伸试件尺寸图Fig.1 Dimensions of the Tensile Sample of 70Mn Steel表17 0 Mn钢的化学组分Tab.1 Chemical Compositions of 7oMn SteelElementCSiMass0.730.23fraction/%2.2试验方法试件分为4组，每组3个试件，因此共计13个试件（含一个电镜试件）。试件的加工过程如下：使用砂纸打磨待加工表面，然后放入无水乙醇与丙酮溶液混合液中，使用超声波清洗机清洗10min；接着使用固体脉冲激光器（WFD2500，煜宸激光），在激光功率40 0 W，扫描速度15m/s，光斑直径0.5mm，以及氩气保护条件下，得到不同重熔图样（“条纹型”“网格型”和“混合型”)试件，如图2 所示。另外引人未加工的光滑试件记为“光滑型”作为对照。用金相切割机沿垂直于激光扫描运动方向，切下（10 x152)mm含重熔区的块。在镶嵌后,将试件块在金相抛光机上由粗到细依次打磨（从40 0 目到2 0 0 0 目），再用金刚石研磨膏（5m、2.5m0.5m）和灰色呢料进行抛光。抛光后的试件块放入4%的硝酸-无水乙醇溶液中腐蚀(4 5)s,然后用无水乙醇冲洗，吹干后利用三维非接触式形貌仪（VK-1050,KEYENCE)对试件的重熔区进行表征。试样的拉伸试验采用日本进口的伺服液压疲劳试验机(EV200K2-040-1A，SH I M A D Z U)来进行试验。试件断口采用场发射扫描电镜（MIRA3,TESCAN)进行表征。120120120图2 7 0 Mn钢重熔图样示意图Fig.2 Sketch of the Remelted Patterns of 70Mn Steel张有为等：激光表面重熔对退火7 0 Mn态钢拉伸性能的影响4xR30400.8170MnS1.040.00690.012 0.0250.022Bal.(a)条纹型(b)网格型(c)混合型1233结果与讨论3.1拉伸试验结果不同试件的抗拉强度、屈服强度与拉伸率的结果，如表2 所示。与“光滑型”试件相比，“条纹型”和“混合型”重熔试件的抗拉强度几乎没有变化，如图3所示。而 网格型 试件的抗拉强度降低了8.4%。所有试件的屈服强度基本没有发生变化。同样地，与“光滑型”试件相比，“条纹型”试件的伸长率数值上几乎没有变化，“网格型”试件的伸长率降低了16.96%，“混合型”试件的伸长率降低了9.11%。表2 不同重熔图样的拉伸性能Tab.2 Tensile Properties of Different Remelted Patterns5图样形状抗拉强度(MPa)光滑型529.91条纹型524.35网格型485.32混合型522.4PCr屈服强度(MPa)323.49318.72324.59322.13NiFe伸长率%23.424.526.4415.41一抗拉强度一屈服强度550529.91500400350323.49300-光滑型条纹型网格型混合型图3试件的抗拉强度、屈服强度与重熔图样对比图Fig.3Comparison of Tensile Strength and YieldStrength of Different Remelted Patterns30725115105光滑型图4试件伸长率与重熔图样形状对照图Fig.4 Comparison of Elongation of Different Remelted Patterns3.2重熔区显微组织如图5(a)所示，典型重熔区的断面为半圆形,边界清晰，且从上到下可分成表面熔化区、热影响区和基体三部分。基体的金相图，如图5(d)所示。作为一种退火态高碳钢，7 0 Mn试件基材的微观组织主要由铁素体和球状渗碳体组成 10。由于激光加工时作用区域小，能量密度很大而且冷却速率快，表面熔化区的组织由珠光体转变成细小马氏体，如图5(b)所示。而热影响区的显微组织为珠光体和马氏体，如图5(c)所示。524.35318.7224.5223.4条纹型522.4485.32324.596.44网格型322.1315.41混合型No.8124机械设计与制造区与基体被撕裂，而马氏体的产生进一步降低了其塑性,进而导致其拉伸强度和伸长率变低。对于“混合型”试件，虽然重熔部分体积大于“条纹型”，但断口由于未沿着斜条纹断裂，而是出现在试件中心附近的斜条纹与试件两个侧面交点的连线处，试件在被拉伸马氏体时,重熔位置发生混合断裂，降低了其整体塑性，且被拉断重熔部200um10um(a）重熔区整体形貌(b)表面熔化区和热影响区边界处组织铁素体渗碳体10m(c）热影响区和基体边界处组织图5重熔区金相图Fig.5 Metallographic Diagram of Laser Remelting Region3.3试件断口位置如图6 所示，试件断口基本出现在正中央位置，其中“光滑”和“条纹型”试件断口在试件中央附近处随机出现，而网格型试件断口沿着试件中心附近的横向条纹断裂。“混合型”试件断口出现在试件中心附近的斜条纹与试件两端边缘交点的连线处。总的来说,断口相对来说比较笔直，断面比较平整。【a)光滑型(b)条纹型Aug.2023分的体积少于“网格型”，因此其拉伸率介于“条形”和“网格型”之间。对于抗拉强度，“混合型”虽然重熔区体积占比高于条纹型，但是在加工时竖条纹与试件的侧面和斜条纹相交,导致试件出现缺陷。由于产生缺陷的面积小于“网格型”试件，而且处于断裂处的重熔部分体积小于“网格型”试件，所以重熔对试件抗拉强度的增强与缺陷对试件的削弱相互抵消，此时试件抗拉强度在数值上与“光滑”型试件基本相等。此外，由于所有试件的重熔部分占比较少，试件以塑性变形为主,所以未对其屈服强度产生较大影响。10m(d)基体组织【)网格型【d）混合型SEMHV:20.0 kVSEMMAG:1.00kXVlewfield:277 umFig.7Fracture Morphology of the Smooth SampleWD:15.01mmDet:SEDate(m/d/y:10/16/19图7 未重熔试件断口形貌MIRA3TESCAN50umPerformancelinnanospace图6 不同重熔图样的试件断裂图片Fig.6 Fracture Images of Samples with Difference Remelted Patterns3.4断口形貌“光滑型 试件(基材)断口，如图7 所示。断口类型为韧窝断口,发生韧性断裂。与图5(a)所示重熔区相对应，激光重熔后的试件断口典型形貌，如图8 所示。表面熔化区、热影响区和基体三部分的断裂类型分别为沿晶断裂、穿晶断口和韧性断裂。具体来看，表面熔化区的断口可见阶梯平台，为脆断裂；热影响区的断口大部分都是穿晶断口，但可见少量韧窝，属于混合型断裂，如图9所示。“网格型”试件的断裂位置在试件中间附近的重熔线上，如图10 所示。沿着激光路线的断口类型为舌状解理断口。3.5断裂机理分析整体来看,激光表面重熔虽然改变了试件重熔区的金相组织，得到了较多硬度较高呈细小板条状的马氏体，但对于整个试件的抗拉强度没有提升甚至还产生削弱。具体来说，对于“条纹型”试件,虽然激光重熔增加了试件重熔部分的硬度，但是由于重熔区占比较小,对整个试件的抗拉强度和伸长率几乎无影响。激光表面重熔削弱了“网格型”试件的抗拉强度,降低了拉伸率，这是因为虽然重熔部分体积多于“条纹型”试件，但是由于巨大的硬度差异，激光表面重熔区对于整个试件相当于缺陷。在拉伸过程中，重熔SEMHV:20.0kVSEM MAG:1.00kxVlew field:277mFig.8 Fracture Morphology of the Typical Remelting Region10umFig.9 Fracture Morphology of the Heat-Affected RegionWD:15.04mmDet:SEDate(m/d/y):10/16/19图8 典型重熔区处断口形貌EHT-20.00kVWD=9.5mm图9热影响区处断口形貌MIRA3TESCAN50umPerformance in nanospaceMag=3.00KXSignalA=SE1Date:9Dec2019Time:14:59:35ZEISSNo.8Aug.2023SEM HV:20.0kVSEMMAG:500XView field:554m图10“网格型”横向条纹处断口形貌Fig.10 Fracture Morphology of the TransverseStripe of the“GridPattern4结论(1)激光重熔单元由表面熔化区和热影响区组成。表面熔化区的金相组织为细化的马氏体，热影响区的金相组织为马氏体和珠光体。(2)“条纹型”和“混合型 图样对试件的抗拉强度影响不大。“网格型”试件相比于光滑试件的抗拉强度降低了8.4%。“条纹型”对试件伸长率几乎没有影响，“网格型”图样的伸长率降低了16.96%。“混合型”图样对伸长率的影响低于“网格型 图样，但高于“条纹型”图样，其伸长率降低了9.11%。试件的屈服强度未发生明显改变。（3)退火态7 0 Mn试件基材试件的断口类型为韧窝断口，表面融化区的断口类型为沿晶断口，热影响区断口类型为以穿晶断口为主的混合断口。参考文献1徐滨士,刘家浚，马世宁.表面失效分析、预防与表面工程 J.设备管理与维修,1993(6):8-10.(Xu Bin-shi,Liu Jia-jun,Ma Shi-ning.Surface failure analysis,preven-tion and surface engineering J.Equipment Management and Mainte-nance,1993(6):8-10.)2张德强，张吉庆，李金华，等.激光重熔对镍基碳化钨涂层性能的影响机械设计与制造J.机械设计与制造,2 0 16(5)：12 2-12 4.(Zhang De-qiang,Zhang Ji-qing,Li Jin-hua,et al.Effect of laser re-melting on properties of nickel-based tungsten carbide coating JJ.Me-chanical Design and Manufacturing,2016(5):122-124.)3瞿伟成，杨博程，刘延辉，等.激光表面加工技术的发展与现状 J.热加工工艺,2 0 17:38-41.(Qu Wei-cheng,Yang Bo-Cheng,Liu Yan-hui,et al.Development andStatus quo of laser surface processing technology J.Hot working Pro-cess,2017:38-41.)4】庞铭，谭雯丹.激光表面重熔蠕墨铸铁气门座微观特性分析和裂纹抑制研究 J.激光与光电子学进展，2 0 19,56(2 1)：116-12 2.(Pang Ming,Tan Wen-dan.Analysis of micro characteristics and crackWD:15.00mmMIRA3TESCADet:SE100umDate(m/d/y:10/16/19125suppression of vermicular graphite cast iron valve seat with laser surfacePerformance innanosparemelting J.Advances in Laser and Optoelectronics,2019,56(21):116-122.)5贾晶.灰铸铁HT200脉冲激光表面重熔 J.山西大学学报（自然科学版),2 0 0 6(3):2 7 7-2 7 9.(Jia Jing.Surface remelting of gray cast iron HT200 pulse laserJJ.Jour-nal of Shanxi University:Natural Science Edition,2006,29(3):277-279.）6 Zhang Zhi-hui,Lin Peng-yu,Cong Da-long,et al.The characteristics oftreated zone processed by pulsed Nd-YAG laser surface remelting onhot work steelJ.0ptics&Laser Technology,2014(64):227-234.7 Wang C,Zhou H,Zhang Z,et al.Tensile property of low carbon steel withgridding units J.Applied Surface Science,2013,273(may 15):128-134.8杨忠,郭永春,夏峰,等.激光重熔处理对活塞铝合金组织与性能的影响 J.材料热处理学报，2 0 15(8)：49-55.(Yang Zhong,Guo Yong-chun,Xia Feng,et al.Effect of laser remeltingon microstructure and properties of piston aluminum alloys J.Journalof Material Heat Treatment,2015(8):49-55.)9叶健熠，高元安，仇亚军，等.滚动轴承常用金属材料 J.现代零部件，2005(8):96-98.(Ye Jian-yi,Gao Yuan-an,Qiu Ya-jun,et al.Common metallic materi-als for rolling bearingsJJ.Modern Components,2005(8):96-98.)10杜成明，朱锦云，杨振，等.6 5Mn弹簧钢表面激光淬火的显微组织及性能研究 J.机械工程师，2 0 2 0(3：52-53+56.(Du Cheng-ming,Zhu Jin-yun,Yang Zhen,et al.Microstructure andProperties of laser quenching on spring steel surfaceJJ.Mechanical En-gineer,2020(3):52-53+56.)（上接第12 1页）4秦宝荣，王宁生.基于人工神经网络的零件表面加工方案决策方法研究 J.中国机械工程，2 0 0 2(15)：38-40+4.(Qin Bao-rong,Wang Ning-sheng.Research on decision method of partssurface machining scheme based on artificial neural network J.ChinaMechanical Engineering,2002(15):38-40+4.)5花广如，王会凤，张震寰，等.基于遗传算法的加工方案选择与操作排序综合优化方法 J.上海交通大学学报,2 0 0 6(2)：195-2 0 0.(Hua Guang-ru,Wang Hui-feng,Zhang Zhen-huan,et al.A GA-basedsynthesizing optimization approach for machining scheme selection andoperations sequencingJJ.Journal of Shanghai Jiaotong University,2006(2):195200.)6王玫，王卓,王杰.回转类零件的人工神经网络工序选择方法研究 J.电子科技大学学报，2 0 10,39(3)：47 0-47 4.(Wang Mei,Wang Zhuo,Wang Jie.Research on ANN-based machiningoperation selection for rotational parts J.Journal of University of Elec-tronic Science and Technology of China,2010,39(3):470-474.)7汤岑书，褚学宁，孙习武，等.基于几何与公差信息的加工特征识别方法 J.计算机集成制造系统，2 0 10,16(2)：2 56-2 6 2.(Tang Cen-shu,Chu Xue-ning,Sun Xi-wu,et al.Machining feature rec-ognition based on geometry and tolerance informationJ.Computer Inte-grated Manufacturing Systems,2010,16(2):256-262.)8钟艳如，高文祥，黄美发.基于本体的装配公差类型的自动生成 J.中国机械工程，2 0 14,2 5(5)：6 8 4-6 91.(Zhong Yan-ru,Gao Wen-xiang,Huang Mei-fa.Automatic generationof assembly tolerance types based on ontologyJ.China Mechanical En-gineering,2014,25(5):684-691.)9 Horrocks,Ian,Patel-Schneider,et al.SWRL:A semantic web rule lan-guage combining OWL and RuleMLJJ.World Wide Web Consortium,2004.10】李佳静，黎荣，武浩远，等.面向多领域的转向架知识本体表达及重用研究 J.机械设计与制造，2 0 19(4)：55-58.(Li Jia-jing,Li Rong,Wu Hao-yuan,et al.Research on multi-domainknowledge ontology representation and reuse of bogie JJ.MechanicalDesign and Manufacturing,2019(4):55-58.)11黄美发,刘智勇,江艳燕，等.基于Ontology的装配公差规范的自动生成 J.组合机床与自动化加工技术，2 0 2 0（5)：52-57+6 2.(Huang Mei-fa,Liu Zhi-yong,Jiang Yan-yan,et al.Automatic genera-tion of assembly tolerance specifications based on ontology J.ModularMachine Tool&Automatic Manufacturing Technique,2020(5):52-57+62.)