超声波喷丸强化 (USP) 是一种表面工程技术，用于在制作的完整过程中增强部件的机械性能。M50钢是航空轴承常用的材料之一。在这项研究中，高强度M50 轴承钢的表面纳米化是在室温下通过 USP技术进行的。TEM根据结果得出，M50轴承钢中板条马氏体的厚度已细化至10 nm。极细的纳米结构M50马氏体明显提高了纳米级的力学性能。纳米压痕测试表明，纳米结构M50的硬度为12.43 GPa，比原样基体材料的硬度9.03 GPa高38%。此外，研究了USP过程中 M50 的微观结构演变，并揭示了M50的晶粒细化机制。EBSD表征结果证实了低角度晶界向高角度晶界的转变以及等轴超细晶粒的形成。观察到晶粒细化过程中M50 中碳化物的分解。这表明除了C的扩散外，碳化物的分解还受到碳化物形成元素的影响。而碳化物的细化和马氏体基体较高的硬度可以减缓白蚀裂纹(WECs)的形成。这项工作加深了目前对USP过程中M50轴承钢晶粒细化及其纳米级强化机制的理解，而较深的梯度纳米结构层更有助于后续的表面机加工。

　　航空发动机的严苛服役工况需要主轴轴承满足极高的寿命可靠性和高温尺寸稳定性。高温轴承钢(中国代表牌号8Cr4Mo4V，美国代表牌号M50)是目前应用最为广泛的航发轴承钢，拥有非常良好的高温硬度、高温尺寸稳定性以及高温接触疲劳性能，使其能够较好满足315 ℃以下服役的主轴轴承工作要求。航空轴承失效模式统计分布表明，滚动接触疲劳是目前国产航空发动机轴承最主要的失效形式。大量的试验根据结果得出，M50轴承钢材料中60-70%的疲劳剥落起源于次表层分布的大尺寸碳化物。由于轴承钢滚动接触疲劳失效主要发生在轴承钢的表面和次表面，因此相对于通过凝固技术和热处理技术控制最终组织及碳化物不均匀性而言，通过表面处理技术改善轴承钢表面组织及状态对于提高轴承钢滚动接触疲劳寿命同样具备极其重大意义。

　　图1所示为使用高强度超声喷丸技术对 M50 轴承钢进行表面纳米化的方案：(a) 原始粗晶粒M50轴承钢的SEM图像和 (b) EBSD图像；(c)超声喷丸强化设备示意图和(d)沿其横截面方向具有梯度纳米晶粒结构的超声喷丸强化 M50 轴承钢的EBSD表征。

　　图2所示为超声喷丸M50轴承钢沿其横截面方向的SEM图像；(b)和(c)是材料在红色虚线矩形中标记的不同位置的放大特性。

　　图4所示为M50轴承钢不同深度梯度结构层的TEM显微照片。(a-c) ~0 μm 深度的马氏体(有和没有板条形态)的TEM显微照片。(d)板条马氏体的 HRTEM 图像及其(I)的IFFT图像。(e-g)深度为~25 μm的马氏体(有和没有板条形态)的TEM 显微照片。(h) (f)中(II)的板条马氏体的SAED图。(i-k)~100 μm深度的马氏体(有和没有板条形态)的TEM显微照片。(l)不同深度的板条马氏体厚度。

　　图5所示(a)不同深度的超声喷丸(USPed)样品和原样对照样品的XRD图；(b) USPed样品在~5 μm深度处的XRD图和洛伦兹拟合结果。

　　图6所示为M50轴承钢梯度结构层碳化物在不同深度的 TEM 显微照片。(a-c) 致密位错在约0 μm深度处的碳化物周围聚集。(b)明场和(c)暗场TEM显微照片显示碳化物和位错之间的相互作用，(d)是(b)中(I)的Fe3C的SAED图。(e-f)显示位错相互作用的TEM显微照片，板条马氏体和碳化物在~25 μm深度。(i-k)碳化物在~100 μm深度的TEM显微照片和(h) (k)中(II)的VC的SAED图。(l)直径不同深度的球形碳化物。

　　图12所示为梯度结构层的板条马氏体/晶粒细化示意图。(a)板条马氏体和粗晶，(b)板条马氏体细化和LAGBs 增加，(c)细化马氏体，板条形态消失，HAGBs增加，(d) 细化板条马氏体和超细碳化物沿梯度深度方向的晶粒。

　　本文通过超声波喷丸(USP)首次成功地制备了梯度纳米结构 M50轴承钢。通过先进的材料表征方法，研究并确定了USP期间M50轴承钢的晶粒细化过程。此外，通过纳米压痕法测量了制备的纳米结构M50轴承钢的纳米硬度，并讨论了纳米结构M50轴承钢的强化机理。能得出如下结论：

　　(1)随着距处理表面深度的减小，碳化物和板条马氏体细化，同时部分板条马氏体形貌消失。球形碳化物的最小平均尺寸为458.4 nm，而细化板条马氏体的平均厚度为10.5 nm。

　　(2)随着应变和应变速率的增加，粗晶中的位错大量繁殖形成位错壁，然后逐渐转变为LAGBs，继续吸收位错形成HAGBs。铁素体的平均直径为500 nm，约为对照样品(1.787 μm)的28%。

　　(3) USPed M50的最大平均纳米硬度为12.43 GPa，比对照样品(9.03 GPa)高38.0%。位错强化和细化诱导强化(板条马氏体和晶粒的细化)对提高梯度M50轴承钢的强度起着重要作用。

　　(4)位错与碳化物相互作用导致碳化物分解。碳化物的分解不仅受C扩散的影响，还受碳化物形成元素的影响。不规则碳化物和较大尺寸的碳化物更容易部分分解。而碳化物的细化和马氏体基体较高的硬度可以减缓白蚀裂纹(WECs)的形成。为提高轴承钢的常规使用的寿命提供了思路。

　　值得注意的是，通过超声喷丸得到的梯度结构层厚度大这将有利于后续的机加工。超声喷丸不仅得到了梯度分布的结构尺寸和高的残余应力将有利于轴承钢的滚动接触疲劳性能，而且超声喷丸过程对碳化物的大小和形态的调控也为其滚动接触疲劳性能研究奠定基础。研究团队未来将在如何获得更深的梯度结构层、梯度结构层的调控和其滚动接触疲劳上进行更详细的研究。

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