钢摩擦热处理后的显微组织及力学性能

长春理工大学硕士学位碳钢摩擦热处理后的显微组织及力学性能姓名：李铁申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：黄根哲20100301摘要摩擦强化是利用摩擦热对工件表面进行强化处理的新工艺，具有节能、高效、环保等优点。本文以45钢和35Mn钢为研究对象，采用端面干摩擦的方式进行摩擦强化试验。利用数显洛氏硬度计HRS．150测定试样的强化硬度；利用扫描电子显微镜拍摄试样的金像组织进行强化；利用ANSYS有限元软件，对摩擦强化温度场进行模拟。试验发现：试样表面存在一定的强化区；强化区内的显微组织中含有大量的、均匀分布的马氏体；强化区内的表面硬度达到淬火硬度。实验结论：摩擦淬火工艺完全可以实现。关键字：45钢35Mn钢摩擦强化组织分析仿真conclusion：neABSTRACTanalysisregularly．Athardnesson．nleanalysesmechanismusingand35Mnthespecimenadvantageefficiency,environmentalmostimportantthat，itsamples．111etomeasuremicroscopemicroscopicallast，thetemperatureWaselementhardened．areamassivemartensitearea,whichsametime，theareainExperimentfriction．hardeningKeymierostrueturalsimulationThefriction—hardeningprocessisnewkindoftechniquequenchsurfacewithenergy—saving，highprotectionpointtechnologymakesheatproducedduringfrictionprocess．，nlisthesistooksteel45testingusedwayend-to—endcarryfriction．hardening．111efinalresultdigitalHRS·150Rockwellspecimenselectron—scanningtakephotos．111epaperhardeningphotosrnicrostructures．AtfieldsimulatedbyfiniteANSYSsoftware．，nleindicatesthat．theretheredistributeachievesquenchinghardendefinitelyrealizepractice．words：steelfriction-hardeningtesttesteraonSOuseaszone．canII作者签名：≥钩÷且年三月墨日作者签名趣指导导师签名名生弪塑年上月堕日至!z!年三月墨日长春理工大学硕士学位论文原创性声明长春理工大学学位论文版权使用授权书能》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所和中国学位论文数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，《碳钢摩擦热处理后的显微组织及力学到本声明的法律结果由本人承担。第一章绪论1．1热处理的概述1．1．1热处理的定义为提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度及抗蚀能力而进行的热处理工艺是大部分机械加工过程需要涉及的环节。所谓热处理，就是将钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以改变钢的组织，从而获得所需性能的工艺方法。热处理和其他加工不同，它只改变金属材料的组织和性能，而不以改变其形状和尺寸为目的。热处理和其他加工工序一起，构成零件完整的加工过程。热处理是改善毛坯或原材料的工艺性能、保证产品质量、延长使用寿命、挖掘材料潜力不可缺少的工艺方法。零件加工过程中，热处理作为独立的工序常穿插在毛坯制造和切削加工某些工序之间进行。其作用有二：一是材料、毛坯或半成品消除上一工序加工过程中产生的组织缺陷并改善工艺性能，为后续的实施做准各。这一目的可以通过退火、正火等方法来实现。通常又将为此目的进行的热处理称为预备热处理。二是材料的机械性能提高，达到零件的最终使用要求。这一目的可以通过淬火、回火、表面淬火和化学淬火等方式实现。这类热处理又称为最终热处理。1．1．2常用的热处理方法(1)退火与正火退火是将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(一般随炉冷却)，使钢获得接近平衡状态的组织。退火可以降低工件的硬度，以利于切削加工或其他种类加工；退火可以细化晶粒，提高钢的塑性和韧性；退火可以消除内应力，并未淬火工序做好准备。退火分为三类：完全退火、球化退火和低温对火。正火的作用与退火的相似，它是将钢加热到奥氏体区，使钢进行重新结晶，从而解决晶粒粗大和组织不均的问题。但是，对一般结构用钢，正火的加热温度稍高。正火与退火最大的不同点在于正火是在炉外空气中冷却工件，而正火的冷却速度比退火要快，所获得的组织比退火更细，因此同样的钢件在正火后的强度、硬度比退火后要高些，但消除内应力不如退火彻底。正火是工件在炉外冷却，不占用设备，生产率较高，成本降低。正火主要用于：取代部分退火、用于普通结构件的最终热处理、用于过共析钢。(2)淬火与回火淬火是将工件加热到4，温度使工件奥实体化，然后在水或油中快速冷却(水的冷却能力比油强1，获得高硬度的马氏体组织。淬火后，钢的硬度和强度大大提高，但脆性增强，并产生很大的内应力。由于淬火过程中将伴随马氏体膨胀，于是造成淬火内应力，容易使工件产生淬火内力或变形。为了减小淬火钢的脆性，得到所需的性能，并消除内应力，钢淬火后必须进行回火。1、整体热处理1．2摩擦热处理方法的提出回火是将淬火的工件重新加热到4．以下某温度，保温后冷却的热处理工艺。回火的主要目的是消除淬火内应力，降低工件的脆性，防止产生裂纹，同时使钢获得所需的力学性能。很据加热温度不同，回火可以分为以下三种：①低温回火回火温度大约在150～250。C之间，其目的是在基本保持淬火高硬度的前提下，适当的提高淬火钢的韧性低淬火应力。②中温回火回火温度大约在0～450"C之间。用于需要足够硬度、高的弹性并保持一定韧性的零件。③高温回火回火温度大约在500--,650"C之间。高温回火后硬度大幅降低，但可获得较高的强度和韧性良好配合的综合机械性能。2、表面热处理(1)表面淬火表面淬火是将钢件的表面层淬硬到一定的深度，而心部仍保持为淬火状态的一种局部淬火方法。表面淬火时通过快速加热，使钢件表面层很快达到淬火温度，在热量来不及传到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。表面淬火的主要方法有：感应淬火、火焰淬火、点接触淬火、激光淬火等。(2)化学热处理化学热处理是将工件置于一定化学介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表面层，以改变工件表面层的化学成分和组织，从而获得所需的力学性能或理化性能。化学热处理的主要方法有：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。1．1．3应用现状和发展前景近年来，国外热处理技术发展很快，包括可控气氛热处理、真空热处理、离子热处理、新型化学热处理、高能率热处理以及电子计算机在热处理中的应用等，此外，节能、节材的工艺和设备也在不断地发展。建国以来，我国的热处理技术也有了很大的发展，现有热处理生产厂一万余家，热处理加热设备10多万台，年生产能力660多万吨钢件，年产值约50亿元。目前我国在热处理的基础理论研究和某些热处理新工艺研究方面，与工业发达国家的差距不大，但在热处理设备和实际生产水平方面却存在着较大的差距，还没有完全扭转热处理工艺和热处理设备落后、氧化脱碳严重、产品质量差、生产效率低、能耗大、成本高、污染严重的局面。为促进我国热处理技术的发展，我们应全面了解国内外热处理技术的现状和水平，掌握其发展趋势，大力发展先进的热处理新技术、新工艺、新材料、新设备，用高新技术改造传统的热处理技术，实现“优质、高效、节能、降耗、无污染、低成本、专业化生产"。加强热处理的基础理论研究，大力发展多参数热处理和复合热处理工艺，采用新的加热源和新的加热方式，采用新的淬火介质和改进淬火方法。1．2．1摩擦的定义及分类摩擦：两个相互接触的表面发生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触表面间产生的阻止相对运动或相对运动趋势的现象称为摩擦。阻止相对运动或相对运动趋势2的力称为摩擦力。摩擦的分类方法很多，因研究和考察方法的依据不同，其分类方法也就不同。常见的分类方法有下列几种。1、按摩擦副的运动形式分类：(1)滑动摩擦；2、按摩擦副的运动状态分类：(1)静摩擦；(2)动摩擦3、按摩擦是否发生在同一物体分类：4、按摩擦副的润滑状态分类：(1)干摩擦；(2)流体摩擦；(3)边界摩擦；(4)混合摩擦(两接触表面同时存在着流体摩擦、边界摩擦和干摩擦的混合状态时的摩擦)混合摩擦一般是以半干摩擦和半流体摩擦的形式出现：a半干摩擦；b半流体摩擦。1．2．2摩擦强化工艺的提出1、理论依据：从微观分子的角度解释摩擦生热现象，就是克服摩擦做功，使系统内能增加。具体是做功改变了系统的能级，从而改变了内能，即摩擦使一定数量的分子在能级间发生跃迁，由低能级向高能级跃迁，因此使系统内分子在各个能级上的分布数发生变化。所以，做功是将其他形式的能量通过有序的形式转变为系统的内能，摩擦通过有序的来回运动，把机械能转化为内能。那么，钢要达到进行热处理的目的，首先其表面瞬时温度要达到临界温度，并且要形成一定的温度梯度分布。既然摩擦的本质是通过摩擦作功使一对摩擦副之间的表面原子或分子从低能级跃迁到高能级，宏观表现为表面温度上升。那么作功的快慢，即摩擦作功的功率大小可以决定表面温度上升的程度，换句话说，只要摩擦副之间的相互运动速度足够大，表面温度可以上升到极限状态——表面熔融。当然进行热处理是可以实现的。2、现实依据：摩擦焊技术的成熟及应用。目前，众所周知的摩擦焊接，如一般端面摩擦焊、径向摩擦焊、搅拌摩擦焊、线性摩擦焊等是最节能环保的焊接方法。因此，摩擦焊接技术应用范围不断扩大。一般焊接都要加热，使两个要焊接的金属材料达到由上可知：摩擦完全可以将工件的温度升高到临界温度，即完全可以实现摩擦热1．2．3摩擦热处理的特点1、具有显著的节能效果至今为止的热处理方法中高频感应热处理是公认的节能性最好的热处理。因此，就以高频感应热处理与摩擦热处理的耗能情况比较就可以说明摩擦热处理的节能特(1)高频感应热处理能量消耗情况：(2)滚动摩擦(1)内摩擦；(2)外摩擦熔融状态。处理。点。以现有文献资料可查得高频感应热处理的耗能情况可以按如下计算：高频淬火设备由电源、变压器、感应线圈和水套等构成，这些组成部分中，电源消耗功率平均约为10％(一般在5％～15％)、频率转换消耗功率平均约为7％(～般在5％～10％)、输电消耗功率平均约为3．5％(一般在2％～5％)、磁损耗约为10％、冷水被加热带走感应产生的热量近50％、感应电流消耗约10％。还有一些热传导、辐射和空气之中的对流等消耗，按上述有据可查的数据，高频热处理最后可用于工件加热的能量可按下式①100％．10％=90％(Eg源消耗后余下部分)②90％(1．7％)=84％(频率转换后余下部分)⑧84％(1．3．5％)=81％(输电消耗后余下部分)④81％(1．10％)=73％⑤73％(1．50％)=37％⑥37％(1-10％)=33％(感应电流消耗后余下部分)从上述数据和计算可知，高频感应热处理中可用于加热工件用的有效能量只有约为33％，而67％以上均为无效消耗的能量。摩擦热处理是通过电机把电能直接转换成机械能、机械能直接转换成热量来加热工件，中间环节很少。当前电机的效率平均为93％，考虑到摩擦头的吸热和热量在空气中的散失量13％，那么摩擦热处理可用于工件加热的有效能量可达80％。由上面数据充分说明，摩擦热处理节能效果相对高频热处理非常明显。如果与其它热处理比较具有不可比拟的节能效果的特点。高频感应热处理是当前国内外公认的环保热处理，但高频感应热处理存在电磁幅射、产生弧光和有害气体，而摩擦热处理不存在高频感应热处理存在的污染环境和有害健康的因素。因此，摩擦热处理是非常环保的绿色热处理技术。摩擦热处理准备工序简单、加热时间短，其热处理效率与摩擦焊接和高频感应热4、提高工件的综合机械性能摩擦热处理淬火，淬硬层具有高的硬度和耐磨性而心部基体材质组织结构不变，具有很好的塑性及韧性。所以使工件的抗冲击性和耐用度大大提高。5、大幅度地降低热处理成本从节能和提高热处理效率角度，摩擦热处理都非常明显地降低热处理成本；再从提高工件机械性能的来考虑，摩擦热处理的经济效果将是非常可观的。6、可应用范围广摩擦热处理不但可广泛应用于各种轴类形状零件的柱面热处理，而且可用于不同计算：(磁损耗后余下部分)(冷水带走热量后余下部分)(2)摩擦热处理能量消耗情况：2、具有很好的环保效果3、生产效率高处理相同。因此，能够达到很高的热处理效率。4’1．3国内外现状简介用范围较型引。形状的端面热处理，如汽车半轴、凸轮轴、曲轴以及轧钢厂冷轧辊的柱面热处理，还有锤头、汽阀项杆、汽车调节螺钉、各种模具脱模机构中顶杆的端面热处理等。现阶段，国内外与摩擦热处理相关的工艺主要包括两种：～是磨削强化；二是摩擦焊【1】o一、磨削强化工艺的概述近年来，钢制零件的表面强化处理，大多采用传统的高频或中频感应加热淬火。之后一般还要进行磨削加工，以获得所要求的尺寸精度、形状精度和表面质量。传统的表面淬火加磨削工艺存在两个主要问题：一是表面强化热处理工艺难以集成到产品生产线上、自动化程度低。二是磨削加工时，磨削热可能会对已强化材料造成热损伤。长期以来，国内外对摩擦类热处理的研究主要集中在磨削热上，而且一直视磨削热为消极因素。近十几年来，一些学者开始主动的研究如何有效的控制磨削参数和工艺，从而有效的利用磨削热，实现对工件表面的热处理。这期间，初步形成了磨削淬硬表面强化技术。该技术试图将机械加工中的消极因素一一磨削热转变成积极因素。磨削强化处理技术是利用磨削热替代传统热源对钢件表层进行强化处理，将磨削加工与表面强化合为一体。在这种背景下，德国学者E出磨削淬硬技术。该技术可以概括为：首先利用粗磨加工产生的磨削热，在磨削加工过程中直接对工件表面进行表面淬火，然后再用精磨加工达到工件所要求的精度，从而解决了磨削中的热损伤和表面淬火难以在生产线集成的问题，实现了磨削加工与表面淬火相集成的新的加工工艺。磨削强化是磨削加工与表面淬火的集成过程，其工艺过程如下：在零件上首先利用粗磨产生的大量磨削热取代传统的表面淬火热源以达到工件表层强化的目的，然后再精磨获取所要求的精度和表面质量，从而省去感应加热表面淬火工艺，简化生产工艺。2000年澳大利亚的Zhang．L．C和Zarud．iI申请了关于磨削加工和表面淬火集成工艺的专利12J。2002年，澳大利亚的Zarudi．I等学者通过对调制态AISl4140钢零件进行磨削强化试验，并根据工件组织显微分析结果明确指出：与常规淬火相比，磨削强化后的组织外表层具有超精细板条马氏体和少量胞状多边形为错结构。同时磨损与疲劳性能试验结果还表明，与常规淬火件或非淬硬件相比，高硬度、超精细化晶粒于多边形为错结构增加了磨削强化后组织的热．化学稳定性，从而使工件磨损率、摩擦系数和疲劳寿命得到了显著的改善，充分证明了该工艺的应用优势。目前为止，国内外学者在磨削淬火工艺的研究方面做了许多工作并取得了一定的成果，但仍然存在下列技术问题，使得磨削淬火工艺在生产实际中的应用受到限制。磨削强化的主要缺陷：磨削淬火的理论研究较薄弱磨削淬火是一个复杂的过程，主要受到磨削技术和淬火技术两方面的影响；磨削淬火技术的工艺稳定性较差；磨削淬火技术应二、摩擦焊技术的概述摩擦焊是一种现代金属固相热压焊方法，即把两种焊件的结合面作相对高速运动，Brinksmeier和BrockhoffT于1994年率先提51．4有限元分析方法的介绍借助于摩擦热使接触部分达到塑性状态，再经加压而连接成一体的一种工艺方法。它是一个包含着热、力、冶金、传动极其相互作用的复杂过程。焊接质量高、可靠、焊件尺寸精度高；耗能低，节能效果显著；摩擦焊新技术有4个不用的优点，即：不用焊条、不用焊丝、不用焊药、不用保护气体；生产效率高，便于实现自动化；具有广泛的可焊性。摩擦焊不仅可以用来焊接普通钢、合金钢和有色金属，而且还可以将两种性质完全不同的金属材料，诸如铸铁和钢焊在一起，也适用于焊接性能相差较大的异种金属及异种材料，如合金与塑料、陶瓷等非金属材料实现相接。对于摩擦焊从能量的施加方式来讲，分为连续驱动摩擦焊(direct．drivewelding)和惯性摩擦焊(Inertia-frictionwelding)。在连续驱动摩擦焊过程中，其中的一个工件连到驱动机上以一定的速度进行转铆而另一个工件保持不动，两工件相向运动，端面相互接触在摩擦力的作用下产生热量，再加上两端比较大的项锻压力，在高温高压下使两个工件结合在一起。摩擦焊按摩擦运动形式分为旋转式和轨道式两大类，按旋转方式分为普通摩擦焊和径向摩擦焊。旋转式摩擦焊主要用于圆截面焊件的焊接，而轨道式摩擦焊主要用于非圆截面的焊接。随着摩擦焊接的广泛应用，会出现越来越多的摩擦焊接工艺方法。在摩擦热处理过程中，对摩擦温度场的分析比较重要，试验后期工作中将采用有限元分析的方法对摩擦温度场进行模拟仿真，故对有限元分析方法做简要的介绍。Analysis)的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形(有限个直线单元)逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。有限元求解问题的基本步骤通常为：第一步：问题及求解域定义。根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区第二步：求解域离散化。将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小(网络越细)有限元分析(FEA，Finite域。Elementfriction61．5论文开展的研究工作则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步：确定状态变量及控制方法。一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等第四步：单元推导。对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其离散关系，从而形成单元矩阵(结构力学中称刚度阵或柔度阵)。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言，重要仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。第五步：总装求解。将单元总装形成离散域的总矩阵方程(联合方程组)，反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数(可能的话)连续性建立在结点处。第六步：联立方程组求解和结果解释。有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。由于热处理的方法很多，要想在研究生阶段全部作研究比较困难，论文选择了淬火为主要研究方向。论文选取45钢和35Mn钢为研究对象，开展以下工作：(1)根据传热学理论，研究摩擦强化温度场；(2)建立摩擦强化的数学模型和物理模型。(二)实验部分(1)摩擦强化试验的制定一一采取端面对磨的方式；(2)试样的制作以及摩擦副的选择(摩擦副材料为：YG6X硬质合金)；(3)摩擦试验机床的选择：C．4D．QJ型摩擦焊机；(4)不同转数下的对摩试验一一分别为2(5)通过实验获得强化部分的金相显微组织。(三)分析部分(1)通过数显洛氏硬度计测定强化部分的硬度；(2)通过扫描电子显微镜分析强化区的组织形貌和强化层深度；价的泛函形式。中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不复计算。(一)理论部分500r／rnin和l500r／rain；7(3)通过对比原始组织和强化后的组织判断淬火是否成功；(4)运用有限元分析软件ANSYS对摩擦强化温度场进行动态仿真。温度变化率：lim坐：譬Q一,tv知ot第二章摩擦热分析2．1传热学基础2．1．2导热基本定律——傅立叶定律Q～鱼此处温度变化率是温差出和距离缸比值的极限，即论文后期，要对摩擦温度场进行有限元仿真，故在本章引入传热学基础和温度场在生产和生活中，我们会遇到大量的热传递现象，经过人们可知：凡是有温度差的地方，就有能量自发地从高温物体传向低温物体。由于自然界和生产技术几乎到处存在着温度差，所以热传递就成为自然界和生产技术中一种非常普遍的现象。2．1．1热量传递的基本方式(1)热传导：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动进行的热量传递称为热传导。例如，物体内部热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分，以及温度较高的物体把热量传递给与之接触的温度较低的另一物体都是导热现象。通过试验经验的提炼，热传导现象的规律己经总结为傅立叶定(2)热对流：热对流是指流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺合所引起的热量传递方式。对流换热仅能发生在流体中，而且必然伴随有导热现象。对流换热按引起流体流动的原因不同，可分为自然对流和强制对流。工程上常遇到的不是单纯对流方式，而是流体流过另一物体表面时对流和导热联合起作用的热量传递过程。(3)热辐射：物体通过电磁波传递能量的方式称为辐射。物体会因各种原因发出辐射能，其中因热的原因发出辐射能的现象称为热辐射。物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无须任何介质。实质上，在真空中的热辐射效率最高。单位时间内通过单位面积所传递的热量，正比例与垂直于截面方向上的温度变化引入比例常数可得，这就是导热基本定律，又称傅立叶定律的基本表达式。式中负号表示热量传递的方向指向温度降低的方向，这是满足热力学第二定律所必需的【13】。傅立叶定律用文字来表达是：在导热现象中，单位时间内通过截面的热量，正比例与垂直于该截面方向模型。热量传递的方式主要有：热传导、热对流和热辐射三种。律。率，即(2．1)(2．2)(2．3)FaxOx血_o△x～‘。一9I，_J+‘f+拿oy．，+萎其中刀表示为单位法向向量；昙表示温度在，2方向上的导数。q=-Agradt：一五譬刀△，I．。石船2f=I(x，Y，z，f)五=一_O兰t一口：一旯些lira』堕，z：radt：—O—tgradt2一On刀gradt=鱼OxOx2．2摩擦温度场上的温度变化率和截面面积。它是导热现象规律性的经验总结。傅立叶定律用热流密度g表示时有下列形式：温度梯度可以表示如下：温度梯度在空间坐标三个坐标轴方向上的分量，等于其相应的偏导数：用向量表示傅立叶定律的表达式为：2．1．3温度场和导热系数(1)温度场傅立叶定律表明，导热热量与温度梯度有关，所以研究导热必然涉及物体的温度分布。一般的讲，物体的温度分布是坐标和时间的函数，即式中，x，Y，z为空间直角坐标，f为时间坐标。温度场是各时刻物体中各点温度分布的总称。温度场分为两类：一类是稳态工作条件下的温度场，各点的温度不随时间而变化；另一类是瞬态温度场温度分布随时间的变化而变化。导热系数的定义式由傅立叶表达式给出：数值上，它等于在单位温度梯度作用下物体内所产生的热流密度。导热系数的数值取决于物质的种类和温度。金属的导热系数通常都很高。摩擦温度场，顾名思义是在摩擦强化试验中由摩擦热产生的温度场，包括摩擦副温度场和试样温度场，本文主要对试样温度场进行研究。对摩擦温度场的研究，有助于对摩擦强化效果的分析，对完善摩擦强化工艺有至关重要的作用。彘仍(2)导热系数锄(2．4)(2．5)(2．6)(2．7)(2．8)(2．9)。厶)JlO刀——，2一’·，g+毋=一五昙(f+Iatdy)dxdz‰一丢(f+纠姗‰卅去(r+罢出)撇名【簧+笔+笔】dxdydz=og一哆砒Q一磋舭Q：一／l要dydy了02t+拿+娶：一刀【瓦+丙+瓦J_+—■一+_2c2m，2．2．1导热微分方程由传热学知识可知，任意方向的热流量总可以分解成为X，Y，z三个坐标轴方向的热流分量。通过z=x，Y=Y，z=zZ个表面导入微元体的热流量，根据傅立叶定律可直接写成如下：通过X=x+dx，Y=y+dy，z=z+出三个表面导出微元体的热流量亦可按傅立叶定律写出如下：按照能量守恒定律，如果物体内部没有热源，那么在稳态条件下，导入微元体热导入微元体的总热流量=导出微元体的总热流量将(2．10)、(2．“)代入(2．12)可得：式中五及dxdydz总是不等于零的，于是能量守恒定律的最终结果可表示为：这就是对一切稳态、无内热源、常物性导热问题普遍适用的导热微分方程。当然，还存在非稳态及有内热源的导热微分方程。2．2．3摩擦温度场边界条件(1)摩擦温度场的单值条件导热微分方程描述了导热问题的“共性"，但要得到一个确定的导热问题的解(温度场和热流)，还需要给定问题的“个性”，即单值条件。单值条件包括以下几项：1、几何条件：必须说明参与过程的物体的大小和形状。如果是各向异性材料，还要给出导热系数主轴的方向。2、物理条件：给定各种有关的物性量的值，包括随温度变化的函数关系、是否有内热源以及内热源的大小和分布。流量的总和应该等于导出微元体热流量的总和，故写出下列热平衡式：坦‘1”(2．10)(2．11)(2．12)(2．1404)-0a‘xa。Y0。Z0Z)L∞‰叫融驯砒Q，**=-,z戗a--(r+塞出)舭‰一毫(r+塞出)螂Q一磋撇Q：一五拿栅Q：pC妄dxdydzf=y(x，Y，z，f)AUyd％dz3、时间条件：说明过程在时间上的特点。稳态过程不需要时间条件，对于非稳态过程，则要给出初始温度分布，即初始条件。’4、边界条件：描述在区域边界上过程进行的特点。几何条件和物理条件通常体现在导热微分方程的简化和坐标系的选择中，而时间条件(对非稳态问题)和边界条件则体现为单独的数学表达式。边界条件用数学描述如下：第一类边界条件：u(o，，)=kh(t)，u(t，f)=kt2(t)，表示测出端点的温度或浓度。．第二类边界条件：“，(o，f)=q(f)，Ux(，，t)=屹(f)，表示测出端点的热量或原子(或分子)数。如果在，端是绝热的，即：甜，(，，r)=0称为绝热条件。第三类边界条件：如；ku，(1，t)+hu(1，t)=乡(f)表示与外界按热传导中的牛顿定律(2)摩擦导热微分方程摩擦热处理的传热过程由于热源唯一、传导介质均匀、方向为一维。根据边界条件可以划定为一维热传导的范围之内。推导摩擦热处理微分方程如下：根据傅立叶定律，沿X，Y及Z轴传入微元体的热流量为：从微元体流出的热流量为：摩擦温度场没有内热源，根据能量守恒定律有：流入与流出微元体的热流量差额等于单位时间内微元体蓄热量的增量。温度场t是坐标及时间的函数，即既单位时间内微元体蓄热量的增量为：将(2．15)、(2．16)、(2．18)带入(2．17)式，经整理可得：进行热交换，即自由冷却。院(2．15)(2．16)(2．17)(2．18)Ln12⋯ff瓦t92t+鸶+甍]P矿(刁)=P矿(焘)=去，孝唧(彳)却心塞=五(爰+筹+笔1Xo"-o五=焘屯=蠢x3-焘为给定的，口=生，c，P为材料与温度所决定的参数。erf(v)的值可由77=÷的，≈等[厂(‰)+3厂(_)+3S(x2)+厂(而)]石t：3ft烈2脯，一=一一值确定，具体数值可在相关表中查的，其中fe。出可由辛普生(Simpson)求积公式o--f(f)r=tw+(fo一乙)P，歹(77)其中erf(刁)称为高斯误差函数：(2“)．对P矿(，7)求积的过程为：2．3摩擦强化温度场模型一维、稳态传热状况下，导热微分方程为：式(2．21)即为摩探强化过程中的导热微分方程。2．3．1数学模型的建立如上所述，本试验所涉及传热过程适用于第一类边界条件：即给出了物体表面温度0随时间T变化的关系：在稳态过程中0=定值，称为定温壁。在f=0时，导热物体各处温度均匀，都为岛，则初始条件是r=0时，f=to=定值。在不稳定导热过程中，该表面温度不变，一直保持为乙。这时具有边界条件：在上述初始条件及边界条件下，由数学解析法求得的特解：式中的tw、to、t、x1、a为已知的，由以上已知条件可求出T。其中％，气，f，五得。辛普生公式为：cp苏2(f>-0时)处i‰=定值。(2．19)(2．20)(2．21)(2．22)X=0(2．23)(2．25)at名a2fafcpI∥。XJIr2x／afC况∥。y∥。ZdfJDLd—X∥’1，d’Z形(刁)=志+志P丢+志口丢+志P丢_hIH。lQ=删r[o—to+(to-tw)e，厂(77)kQ=pCAI[(t——to)a并g：一N：之卜一——一一二Q=夕c4(o—f0)+pc么(岛一乙)J"yerf(r1)d，+——一——一一晓26，彦霆咖垫一将上式带入式(2．23)得：以上即为摩擦摩擦强化试验中温度场传热过程数学建模过程。2．3．2物理模型的建立实验中工件固定在水平移动夹具上，轴向固定不动；摩擦副固定旋转夹具上，轴向转动，水平方向上固定不动。摩擦强化试验理模型如图2．1所示：(1)假设整个过程中转速不变，摩擦副和工件表面没有磨损，顶紧力不变。研究摩擦温度主要考虑的是工件表面层的最高温度。(2)摩擦试验进行时，工件和摩擦副表面的随机颗粒之间相互摩擦，这些相互摩擦的颗粒就构成了点热源，这些随机摩擦点热源的集合可以近似的认作为是一个连续分布的平面热源。这个平面就是摩擦副和工件的接触面。从试验过程我们可以发现：这些点热源构成的平面热源可以看做是一个持续发热的均匀而恒定的面热源，其单位时间单位面积的发热量为g，这就构成了我们对摩擦强化表面温度场仿真的理论基础。(3)利用有限元ANSYS软件对工件表面温度场进行仿真时，需要计算出热流量g。由摩擦学知识可知摩擦强化过程中热流量为：S——摩擦副与工件接触面积(即工件端面面积)F——切向摩擦力Ⅳ——摩擦加热功率，．——工件端面半径口=一=——：式中：图2．1平面摩擦的传热模型(2．27)／nSLZ．霄r‘14‘2．4本章小结本章主要介绍了传热学的基础理论、摩擦温度场以及温度场模型的建立。根据传热学的理论推导出的摩擦温度场的数学模型，根据实物抽象出摩擦试验的物理模型，为深刻理解摩擦强化的机理奠定了基础。同时，模型的建立也为后期温度场仿真中参数的设定提供了方法。目一一—¨¨¨¨▲第三章摩擦强化工艺试验3．1试验前的工作准备摩擦强化是一种刚刚处在研究阶段的新工艺，属于摩擦热处理范畴。工件和摩擦副相互摩擦时会产生大量的摩擦热。摩擦热使工件表面的温度在短时间内升高到奥实体化的温度，即加热到4或4以上30～50。C．然后迅速冷却到马氏体相变的温度，获得马氏体组织，从而提高工件表面的强度、硬度和耐磨性，以达到淬火的目的。本章以45钢和35Mn钢作为试验对象，进行摩擦强化试验。本试验是利用摩擦热来对工件进行表面强化，是～种全新的工艺，所以完全没有前人的经验可寻，只能是创造性进行。试验准备工作包括：机床的选择，摩擦副的选择，试样的制作，温度测量计的选择等。试验方案的设定的主要内容有：机床转速的选择，摩擦副材料的选择，摩擦方式的确定等。311机床的选择摩擦试验是本论文最主要的实验部分．它作为整个实验最先开始的一个部分，摩擦试验的好坏直接影响所得试样强化的结果，强化结果的好坏直接影响后续分析的结果，从而间接影响到对摩擦强化工艺的研究。因此，摩擦试验是非常重要的环节。根据试验要求，需要选择一种具有可调转速、确定预定力的机床，并要保证一定的稳定性。根据现有条件，选择了长春数控机床有限公司生产的C-4D．Q连续驱动摩擦焊机。长春数控机床生产的摩擦焊机，完全可以满足藐们对于机床的要求。机床如图3l所示：摩擦焊机的主要性能如表3．1所示C-4D-Q连续驱动摩擦焊机图3I转份件耐连续驱动摩擦焊机千牛毫米3．1．2摩擦副的选择本试验采用的对磨方式进行摩擦，所以所选的摩擦副应具有较强的耐磨性、较好的耐高温性、较高的硬度和较高的热硬性。经过慎重的筛选，最后决定选择硬质合金。硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物(WC、TiC)微米级粉末为主要成分，以钴(Co)或镍(Ni)、钼(Mo)为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的基体由两部分组成：一部分是硬化相；另一部分是粘结金属。硬化相是元素周期表中过渡金属的碳化物，如碳化钨、碳化钛、碳化钽，它们的硬度很000℃以上，有的甚至超过4000℃。另外，过渡金属的氮化物、硼化物、硅化物也有类似的特性，也可以充当硬质合金中的硬化相。硬化相的存在决定了合金具有极高硬度和耐磨性。粘结金属一般是铁族金属，常用的是钴和镍。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500*(2的温度下也基本保持不变，在1℃时仍有很高的硬度。硬质合金的这些性能，使它成为我们试验的摩擦副的不二选择。常用的硬质合金以WC为主要成分，根据是否加入其它碳化物而分为以下几类：1、钨钴类(WC+Co)硬质合金(YG)它由WC和Co组成，具有较高的抗弯强度的韧性，导热性好，但耐热性和耐磨性较差，主要用于加工铸铁和有色金属。细晶粒的YG类硬质合金(如YG3X、YG6X)，在含钴量相同时，其硬度、耐磨性比YG3、YG6高，强度和韧性稍差，适用于加工硬铸铁、奥氏体不锈钢、耐热合金、硬青铜等。2、钨钛钴类(WC+TiC+Co)硬质合金(YT)产品名称单位型号C·-4D·-Q最大顶锻力主轴最高转速焊件直径8～14旋转夹具夹料长度移动夹具夹料长度100～370滑台最大行程总功率千瓦生产率轮廓尺寸(长×宽X高)重量Ⅱ屯高，熔点都在2表3·1C-4D—Q主要性能指表50～27040250032016100,---,1802400×1020×16203．2000170．5％。其主要物理性能：密度15．1∥c矗、硬度HRA≥91．8、抗弯强度>，2200MPa、由于TiC的硬度和熔点均比WC高，所以和YG相比，其硬度、耐磨性、红硬性增大，粘结温度高，抗氧化能力强，而且在高温下会生成TiO2，可减少粘结。但导热性能较差，抗弯强度低，所以它适用于加工钢材等韧性材料。在YG类硬质合金的基础上添加TaC(NbC)，提高了常温、高温硬度与强度、抗热冲击性和耐磨性，可用于加工铸铁和不锈钢。4、钨钛钽钴类(WC+TiC+TaC+Co)在YT类硬质合金的基础上添加TaC(NbC)，提高了抗弯强度、冲击韧性、高温硬度、抗氧能力和耐磨性。既可以加工钢，又可加工铸铁及有色金属。因此常称为通用硬质合金(又称为万能硬质合金)。目前主要用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。综合考虑各方面的因素，本实验选择YG6X硬质合金钢作为摩擦副。YG6X是硬质合金材料，其中碳化钨及其他成分分别为WC粒度≤0．8m。由于其耐磨性好，使用强度较好，加工冷硬合金铸铁与耐热合金钢可获得良好效果，也适合于普通铸铁的精加工及钢材、有色金属的细丝冷拔磨具。所以最终决定选用YG6X硬质合金材料作为摩擦副。YG6X硬质合金摩擦副为圆柱体，尺寸为200mm长端面直径为16mm。YG6X硬质合金摩擦副的组织成分详细如表3．2。3．1．3试样的选择与制备中碳钢因珠光体含量增多，其强度和硬度较高，淬火后的硬度显著提高。45钢作为中碳钢的一种，不仅硬度、强度较高，且兼具较好的塑性和韧性，综合性能优良。45钢在机械结构中用途最广，长用来制作轴、丝杠、齿轮、连杆、套筒、键、重要螺钉和螺母等，本文选用45钢具有广泛的代表意义。．经测定，试验所选的45钢化学成分和力学性能如下所示：化学成分：碳0．47％，锰0．71％，硅0．26％，硼0．022％，硫0．018％抗拉强度：610MPa硬度：229HBS淬火后硬度：≥55HRC3、钨钽钴类(WC+TaC+Co)硬质合金(YA))硬质合金(YW)l、45钢伸长率：16％93．5％、Co6％、Other表3．2YG6X硬质合金组织成分u18‘试验选用的45钢的原始组织形貌如图3选定材料后确定试样的大小。根据所选的摩擦焊机机床和试验需要确定试样的尺寸为：(长)150ram，(直径)14ram，形状为小圆棒。用普通机床加工切割试样。35Mn钢是优质碳素结构钢，冷变形时塑性中等，切削性较好，具有较高的强度和较好的淬透性。用于制造中型机械中的螺栓、螺母、杠杆等。本文选用的35Mn钢的原始组织形貌如图33所示：经测定，试验所选的35Mn钢化学成分和力学性能如下所示：化学成分：碳036％，硅084％．硫0028％，铬017％镍02所示2、35Mn钢26％．锰0026％，磷023％，铜019％图345钢原始蛆织图3．335Mn钢原始组织23．2摩擦强化试验500,'／rnirl和2力学性能：抗拉强度560MPa屈服强度340MPa伸长率1断面收缩率46％选定材料后确定试样的大小。根据所选的摩擦焊机机床确定试样的尺寸为：(长)150ram，(直径)14turn，形状为小圆棒。用普通机床加工切割试样。摩擦强化效果与摩擦产生的热量和冷却方式密切相关。要想达到强化的目的，首先要保证摩擦能够产生足够的热量，即：使工件表面温度短时间内达到奥氏体相变线4，以上；其次，要使工件能够瞬时足够降温使奥氏体仅能发生7一Fe向口一凡同素异晶转变，使口一Fe中的过饱和碳原子难以从晶格中扩散出去，从而获得马氏体达到强摩擦强化的效果与摩擦热有直接关系，而摩擦热直接取决于试样和摩擦副之间的摩擦力和相对运动速度。在试样和摩擦副确定的条件下，摩擦力的大小取决于摩擦副和试样之间的预顶力的大小；相对运动速度是另一个主要要考虑的因素一一摩擦副和试样之间的相对运动速度取决于主轴转速。另外，还要考虑摩擦方式和冷却方式。由于摩擦强化是要把工件温度加热到奥氏体相变线4，以上，所以在设定预定力的时候要考虑预顶力过大会使试验在摩擦加热过程中变形严重。变形如果严重的话，将会影响到试样内部的组织，对后续的组织分析增加难度。对于预顶力的设置，没有任何相关的经验可以参考，只能通过试验慢慢的摸索。经过多次的试验，最后在导师的指导下根据C．4D．Q连续驱动摩擦焊机性能，选择预顶力F为25千牛。试验中试样固定不动，摩擦副夹在主轴随主轴转动。所以摩擦副和试验之间的相对运动速度取决于主轴转速。试验选用的C．4D．Q连续驱动摩擦焊机具有可调转速的优点，本实验根据C．4D．Q连续驱动摩擦焊机的性能特点分别选取两种转速作为试验转500r／rnin。(3)摩擦方式的确定试验为了更好的、更有效的利用摩擦热，采取在干磨条件下进行不同转速的试验。冷却方式主要有两种：水冷和油冷。水的冷却能力强，使钢易于获得马氏体，但工件的淬火内应力大，容易产生裂纹和变形。油的冷却能力较水低，工件不易产生裂纹和变形，但用于碳钢件淬火时难以使马氏体转变充分。所以，通常情况下中碳钢采硬度225HBS化的目的。3．2．1试验方案的制定(1)预顶力的设定(2)主轴转速的确定速，分别为：1(4)冷却方式的确定8％一．Il500r／n[1in条件下进行；另一组在主轴转速为2用水冷；碳素结构钢则因淬透性较好，采用油冷。试验中，45钢采用水冷，35Mn钢采用油冷。具体冷却示意图见图3．4：3．2．3摩擦强化试验过程摩擦强化的试验是一个重复的过程，因为每次进行摩擦的过程都是相似的，摩擦条件也是相似的，摩擦副和试样材料不变二者之间的摩擦系数就不变，所以对同一种材料进行摩擦试验时，不同组之间的相似程度非常高；预定力不变摩擦副和试样之间的压力就不变，整个试验都是采用同一种预项力。试验选取45钢和35Mn钢试样各十件。每种材料的十件试样分为两组，每组五件。500r／min条件下进行。试验结束后，根据试验结果在四组试样中，选取四个不同试样进行组织分析。下面是整个试验过程的分解示意图：图3．5所示是，摩擦副固定在C．4D．Q连续驱动摩擦焊机旋转夹具上，试样固定一组在主轴转速1图3．4冷却示意图图3．5转动示意图21—信号㈣．J摩攘加热一在移动夹具上。启动摩擦焊机，主轴开始转动，待机床启动完毕，移动夹具在滑台上滑向摩擦副，使摩擦副和试样接触充分，并设定好预顶力进行对摩。图3．6所示，摩擦副和试样在主轴转动和预顶力的作用下进行充分的摩擦。X-Y温度记录仪图3．7所示，当摩擦试验进行到后期，用点温计及时测量试样表面的温度。根据测量的温度，判定试样表面是否达到淬火所需的温度，进而确定是否进行冷却。图3．6加热示意图图3．7测温示意图一砖一j～一一、刊皇萱簟豳圈豳躺圈盛_}；q堞r茸oo神帝'j穰?’。—’'·|-P81图3．8所示，当点温计捕捉到试样表面温度达到舆氏体相变线如温度以上时，及3-3本章小结时分开摩擦副和试样并进行快速冷却。摩擦强化后一组试样的照片如图3．9所示：本章主要介绍了摩擦强化的工艺试验．其中主要包括机床的选择、摩擦副和试样材料的选择、摩擦强化试验整体的介绍。试验中论文选择了两种材料——45钢和35Mn钢，作为研究对象，具有较强的代表性：45钢和35Mn钢都是中碳钢，两种材料应用广泛。选他们作为研究对象，对摩擦强化工艺的后续研究有着不可忽视的指导作用。另外，试验为了有较强的说服力，在I500r／rain和2500，／曲n两种转速下做了大量的试验，经过反复比较我们发现：试样的表面有了很明显的强化层，硬度有了很大的提圈3．8冷却示意图高。在后面章节要做如下工作：通过硬度测量仪，来测定试样表面的硬度；利用电子显微镜观察试样的显微组织变化：通过有限元软件来对试样表面摩擦过程中产生的温度场进行动态仿真。根据以上三点综合分析研究试样的强化效果和机理。24第四章试样硬度测定和金相组织分析4．1硬度分析强化后的试样可以通过硬度测量仪测定表面硬度，通过扫描电镜分析金相组织并对金相组织拍摄照片，研究其摩擦强化的效果和机理。硬度分析的首要工作是金属显微制样。金属显微制样的程序通常分为：取样一镶样一磨样一磨光一抛光一电解抛光和浸蚀等几个主要工序。摩擦强化试验所得到的试样首先要经过线切割，获得强化区小样块，然后对小样块进行镶嵌。镶嵌后样块经过磨平，然后通过硬度测量仪测量硬度，最后通过扫描电镜进行微观分析。取样部位及检验面的选择取决于被分析材料或零件的特点、加工工艺过程及热处理过程，应选择有代表性的部位。强化试验在试样端面选取样块，进行强度测量。样块通过线切割获取。线切割是电加工的一种，主要用来加工模具。方法是使一根钼丝(快走丝型线切割机)或铜丝(慢走丝型线切割机)穿过工件，通过走丝机构使其做连续运动，同时在此钼丝或铜丝上通过脉冲高压电，它与工件之间产生火花放电，烧蚀金属，并由切削液带走金属屑，而形成一个孔洞，再由数控设备通过步进电机使工件做一定形状的进给运动，使放电产生的孔洞形成连续的切口，这样一直进行到加工结束。线切割的特点是可以加工复杂形状，有很高的加工精度，加工变形小，可以适用于加工淬火钢和硬质合金工件，并且加工过程自动化。由于切取试样的大小、尺寸和形状都不规则，也不统一，尤其是一些带、丝、片、管和颗粒的制备试样十分困难，而且磨样的时候比较困难，所以把试样镶嵌起来，让这些试样的外形、尺寸一致。镶嵌分冷镶嵌和热镶嵌两种。本实验采用热镶嵌，加热温度为140℃，保温时间为10分钟。采用镶嵌机型号为：XQ．2B。磨样主要包括磨光和抛光。(1)磨光：试样经嵌镶后，首先将试样修整成平直试样，粗磨仅去掉切割痕，但仍有较深的粗磨痕，要经过细磨进一步磨光；金相试样的磨光除了要使表面光滑平整外，更重要的是应尽可能地减少表层损伤；每一道磨光工序必须除去前一道工序造成的变形层(至少应使前一道工序产生的变形层减少到本道工序产生的变形层深度)，而不是仅仅把前一道工序的磨痕除去，同时，该道工序本身应做到尽可能地减少损伤，以便于进行下一道工序。本实验磨光是在砂纸上进行的，砂纸为SiC磨料，磨料不溶于取样4．1．2制样的镶嵌和磨样1、制样的镶嵌2、磨样水。型号分别为：320#、500#、800#、1200#。4．1．1l“o仔?OO硬善饱和时间——10s(2)抛光：试样磨光后，要仔细地用水将其洗净，以除去砂粒。抛光与磨光的机理基本相同，即嵌在抛光织物纤维上的每颗磨粒可以看成是一把刨刀，根据它的取向，有的可以切除金属，有的则只能使表面产生划痕。由于磨粒只能以弹性力与试样作用，它所产生的切屑划痕及变形层都要比磨光时细小和浅得多。在抛光的过程中，不断地倾注抛光微粉的悬浮液，要保持抛光布具有一定的湿度，直到磨痕全面消除，试样达到镜面一样的光亮表面为止。由于这些粒子很细，所毗能磨去试样表面上微细不平处，而使试样能磨得很光亮，直到没有磨痕。抛光后用水冲洗，然后吹干以待浸蚀。4．1．3硬度测量试样经过磨光抛光后，通过硬度测量仪测量硬度。测量后，经过统计得到试样强化后硬度沿轴向分布情况。试验选用华银数显洛氏硬度计，型号为：HRS一150。翘4试条件：主应力一150kg初次加载一10kg预应力，>360HR援4量时沿试样主轴由摩擦端面向里进行，采取双排打点。如图42所示：1、测量硬度奎礤35Mn钢硬度压痕和淬硬层深度，相对转数(a)2图4．2500RPM(b)l1，4500RPM掣30＼＼硬度试验一共做了五组试验，论文选其中一组实验数据作为研究对象。45钢在1r／min下的硬度数据如图4．3、图4．4所示；由实验数据可知，45钢表面行成了一定厚度的强化层，强化层内的硬度基本达到了淬火的强度。另外，实验数据显示45钢在主轴22、试验数据r／rain和2500r／rain的转速下强化效果优于145钢硬度分布图一1鹭40皑出20娩距离钿L)图4．345钢在17．／min下的硬度分布图4．445钢在2500，．／rain下的硬度分布r|min500}黾k黾、猫．石、、～、L52．550U10“4恙，盛。1-83．35．27．29．913．127正^、谭～薯三V、、。拶。qVil^^芒—～‘vo4．2试样组织分析500r／min硬度数据如图4．5、图4．6所示：由35Mn钢两组试验数据可知，试样表面形成了较好的强化层。而且强化层内的强度基本达到淬火的强度。另外，两种不同的转速下35Mn钢的强化强度区别不大。结论：通过对45钢和35Mn钢四组试样数据的比较可知：两种材料的试样经过摩擦强化后，表面的硬度都有了一定的提高，基本上达到了淬火的硬度(45钢淬火后硬度