8Cr4Mo4V钢热处理组织应力模型及磨削加工变质层特性研究.pdf

摘要

随着航空航天技术的不断发展，航空器飞行的飞行速度越来越快，发动机的

性能也越来越强。因此，发动机的轴承需要承受更高的转速和更大的工作负荷，

并且需要能够承受更高的工作温度。8Cr4Mo4V属于Mo系高温轴承钢，其广

泛用于制造工作温度范围为100~300℃的航天机械轴承。热处理及磨削加工作

为轴承制造过程中的重要工序，对金属构件的工作性能和使用寿命的影响很大。

因此本文以建立8Cr4Mo4V轴承钢热处理组织应力模型，探究热处理对

8Cr4Mo4V轴承钢第Ⅱ类、第Ⅲ类应力/应变的影响，系统分析8Cr4Mo4V轴承钢

变质层影响因素、力学性能及变质层形成过程；基于纳米压痕实验建立变质层本

构方程，探究变质层对基体力学性能的影响。

建立热处理组织应力模型，研究材料内部不同尺度微观应力应变的影响。利

用DEFORM3D软件建立基于EBSD的各相淬火、回火模型，以有限元模拟氮气

淬火、回火后所得到残余应力为初始应力，通过晶体塑性有限元方法模拟不同径

向深度处的第Ⅱ类应力应变；利用几何相位分析方法处理淬火、回火后8Cr4Mo4V

轴承钢高分辨图像，分析晶格间第Ⅲ类微观应变；通过第一性原理计算双Cr、

Mo原子替换Fe原子α-Fe最稳定结构，计算MC、MC与α-Fe基体界面共格时

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及半共格时第Ⅲ类微观应力-应变。结果表明，不同径向深度处微观应变、微观应

力和等效应力分布趋势相同；在残余奥氏体与碳化物和马氏体基体硬取向周围存

在较大的应力差，更易产生裂纹；回火马氏体基体应力应变分布明显更为均匀，

晶粒取向的影响较小，裂纹更易在回火马氏体和碳化物间产生；回火组织的

Mises应力分布更为均匀，可以有效防止微观裂纹的产生。淬火和回火基体组织

均存在大量位错；回火马氏体中位错形成的影响区与淬火马氏体相比较大，可以

减小应力集中，有效减少微观裂纹的产生；经过回火热处理后，材料内部总体上

由拉应变转变为压应变，同时XX、YY方向应变量有所减小，应变更为均匀，应

变最大值也有所降低，说明回火工艺有利于从原子尺度上提高轴承的尺寸稳定性。

α-Fe基体与碳化物共格时晶格失配应力MoC＞VC＞CrC，半共格时晶格失配位错

应力MoC＞MoC结构1(碳原子间层排列)＞MoC结构2(碳原子沿[011]晶向的间

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隔排列)＞VC＞CrC；与共格时相比，半共格时晶格间第Ⅲ类内应力均有明显减小，

碳化物与α-Fe基体界面结合方式更倾向于半共格界面结合；于界面处的Mo元素

倾向于以碳原子于层间的MoC结构存在；增加CrC，减少MoC含量有利于减小

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α-Fe基体与碳化物界面应力，有利于从原子尺度上提高尺寸稳定性。

通过磨削实验探究了变质层组织结构和不同工艺参数对变质层厚度的影响；

通过物理模拟探究磨削变质层的形成机制。结果表明，工件经过磨削后形成的变

质层表层会出现晶粒细化现象，碳化物有长大现象，随距离磨削面距离增加，碳

化物逐渐减小；变质层组织依次为氧化层、马氏体、索氏体+回火马氏体+残余奥

氏体。随着磨削深度的不断增加，变质层的厚度呈线性增加，奥氏体含量增加；

随着工件速度的增加，变质层的厚度先增大后减小，奥氏体含量先增加后减少。

在磨削过程中，磨削力的作用会使奥氏体化温度降低，更容易发生相变，且压力

越大，相变点温度越低；当材料在磨削作用下发生奥氏体化后，磨削表层晶粒尺

寸随着温度和压力的增加而逐渐减小，较低奥氏体化温度形成珠光体+回火马氏

体组织，较高奥氏体化温度形成索氏体+回火马氏体组织；在磨削力作用下会发

生马氏体分解终了温度提前，并且高温回火会发生再结晶现象，使晶粒长大，并

伴随着碳化物长大和破碎，影响材料尺寸稳定性。采用晶体塑性有限元模拟残余

应力对变质层的作用，发现残余应力使磨削表层尺寸稳定性降低，次表层尺寸稳

定性增加，但是屈服强度和韧性有所下降。

采用纳米压痕实验和拉伸试验探究磨削变质层对力学性能的影响。对于纳米

压痕实验的载荷—位移曲线，进行无量纲方程反演分析及有限元模拟进行修正，

得到变质层的屈服强度和应变硬化指数：屈服强度为σ=457MP