采用超声滚压工艺对渗碳+淬回火态20CrNiMo钢试样进行表面强化处理，研究了不同静压力（700，800，900，1000N）下试样的表面粗糙度、硬度、残余压应力分布以及旋转弯曲疲劳性能。结果表明：超声滚压后，试样的表面粗糙度明显降低，且随着静压力的增加呈先降低后增加的趋势，当静压力为900N时，表面粗糙度Ra最低，为0.17μm。超声滚压后，试样的硬度提高，且随着静压力的增加呈升高趋势。超声滚压在试样表层引入梯度分布的残余压应力；随着静压力的增加，残余压应力最大值先增后降，在静压力为900N时达到最大，为1128MPa。超声滚压后试样的旋转弯曲疲劳寿命显著提高，且随着静压力的增加先增后降。当静压力为900N时，疲劳寿命最高，达到697.3×104周次，此时疲劳裂纹源为单裂纹源，位于次表层。试样表层残余压应力最大值的变化趋势与疲劳寿命具有高度相关性，是影响疲劳寿命的关键因素。
01、研究背景
20CrNiMo钢具有硬度高以及耐磨性、焊接性、可切削性、冷应变塑性和韧性良好等特性，一般在调质或渗碳淬火状态下使用，广泛应用于海上风电机组、重型矿山装备、大型舰船等高端装备齿轮的制造。重载齿轮在使用过程中要承受较大的振动、冲击和弯曲应力，一旦发生疲劳断裂，将引发重大事故，造成严重的经济损失。
通常可采用表面机械强化的方法来提高金属构件的疲劳性能，常见的强化工艺主要包括机械喷丸、激光喷丸、超声滚压、空化水射流、复合表层改性等。机械喷丸对构件残余压应力和硬度的提高幅度不大，疲劳寿命提高不明显。空化水射流和激光喷丸可在构件表面引入较高的残余压应力，大幅提高表层的显微硬度，但是改性层的深度较浅，表面粗糙度过大。复合表层改性虽然改性效果良好，但是工艺复杂，成本较高，对工件的形状有限制。超声滚压是一种可同时实现金属材料表面强化和光整加工的一体化方案，可改善表面完整性，大幅提高构件的疲劳性能。超声滚压处理技术在传统机械滚压的基础上加入了超声振动，构件表面承受静压力和动态冲击的双重作用；滚压工具头以超过20kHz的高频振动冲击构件表面，使表层材料发生剧烈塑性变形，从而在表层引入高的硬度场、残余压应力场以及微细结构场，有效抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，进而大幅提高构件的疲劳寿命。但是，超声滚压工艺参数对构件表面完整性和构件疲劳性能的影响规律还需要深入探索，表面完整性各指标对疲劳性能的影响机理还不明确。
作者在不同静压力下对渗碳+淬回火态20CrNiMo钢表面进行超声滚压处理，研究了超声滚压后表面显微组织、表面粗糙度、显微硬度和残余应力分布以及旋转弯曲疲劳性能，探究了超声滚压处理对20CrNiMo钢疲劳性能影响的机理，以期为长寿命重载齿轮的制造提供试验参考。
02、研究亮点
1 试样制备与试验方法
本章节重点包括：
1. 试验材料为20CrNiMo钢，正火态，详细列出其化学成分和力学性能；
2. 试样制备过程包括截取、渗碳+淬回火处理（930℃渗碳180min，820℃淬火油冷，200℃回火120min）、打磨和清洗；
3. 热处理后表面为针状回火马氏体和少量残余奥氏体，心部为板条马氏体和少量铁素体；
4. 使用超声滚压设备进行表面强化，采用YG6硬质合金球冲击头，优化参数包括频率25kHz、转速180r/min等，静压力设4个水平（700-1000N）；
5. 疲劳试验按GB/T 4337-2015进行旋转弯曲测试，每组重复5次；
6. 后续表征包括表面形貌、粗糙度、残余应力（表面及深度方向）、截面硬度和疲劳断口SEM观察。
渗碳＋淬回火后试验钢表面和心部的显微组织
2 试验结果与讨论
本章节重点：
1. 表面形貌与粗糙度：超声滚压有效消除加工刀痕，降低表面粗糙度；静压力900N时效果最佳（粗糙度降至0.17 μm），压力过大（1000N）会导致微裂纹和剥落。
2. 显微硬度：滚压后表层硬度显著提升（最高990HV），随静压力增加而升高，主要因加工硬化和晶粒细化。硬度提高可增强抗疲劳裂纹扩展能力。
3. 残余应力：滚压后表层形成残余压应力，900N时最大（1128MPa），压力过高（1000N）会导致应力松弛。残余压应力能抵消交变载荷拉应力，抑制裂纹萌生与扩展。
4. 疲劳寿命：滚压后疲劳寿命显著提升（最高达27.2倍），900N静压力时寿命最长（697.3×10⁴周次），与残余压应力变化趋势一致，表明残余压应力是决定因素。
5. 断口分析：未滚压试样为多源表面裂纹；滚压后裂纹源减少或转移至次表层（尤其800N以上），扩展区增大，瞬断区缩小，反映抗疲劳性能提升。关键结论：超声滚压通过改善表面完整性（降低粗糙度、提高硬度、引入残余压应力）显著提升疲劳性能，其中残余压应力起决定性作用，900N静压力为最优参数。
不同静压力下超声滚压前后试样的表面形貌
03、研究结论
（1）渗碳+淬回火处理20CrNiMo钢试样经超声滚压处理后的表面粗糙度明显降低，加工刀痕变浅；随着静压力的增加，表面粗糙度呈先降低后增加的趋势，当静压力为900N时，表面粗糙度Ra最低，为0.17μm；当静压力超过900N后，表面出现少许微裂纹和剥落坑。超声滚压后，试样表层硬度提高，且随着静压力的增加，硬度呈升高趋势。
（2）超声滚压在试样表层引入梯度分布的残余压应力，随着距表面距离的增加，残余压应力先增加后降低；随着静压力的增加，残余压应力最大值先增后降，当静压力为900N时，残余压应力最大值最大，为1128MPa。
（3）超声滚压后试样的旋转弯曲疲劳寿命显著提高；随着静压力的增加，疲劳寿命先增后降，当静压力为900N时，疲劳寿命最高，达到697.3×104周次，此时疲劳裂纹源为单裂纹源，且位于次表层；试样表层残余压应力最大值的变化趋势与疲劳寿命具有高度相关性，是影响疲劳寿命的关键因素。
