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超聲波納米表面改性技術對軸承疲勞壽命的影響

超聲波納米表面改性（Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification，UNSM）技術是利用超聲波能量，通過工具頭在金屬材料表面進行加工，使材料表面發生嚴重塑性變形并形成一定深度的變質層，引入殘余應力，改變表層微觀組織、細化表層晶粒和硬化表面，降低材料表面粗糙度值，從而實現強化材料表面和改善材料抗疲勞性能的目的。UNSM技術的優勢在于其能在材料上獲得較深的變質層；在材料表面能得到較小的表面粗糙度；整個處理過程綠色、環保無污染，操作簡單，易精確控制。目前UNSM技術已經顯示出對各種金屬和合金，如鋁、青銅、鋼、鈦、銅等的有效性，也被應用到高溫結構材料中。

UNSM技術應用于軸承的研究文獻不多，文獻[3]研究了采用UNSM技術修復滾動軸承內外圈的滾道，其通過光學顯微鏡、硬度儀、表面粗糙度儀和X射線衍射儀分析經UNSM技術修復的軸承內外圈滾道。結果表明，修復后的軸承內外圈滾道表面形貌得到改善，表面粗糙度降低，滾道表面硬度顯著提高，殘余壓應力提高，殘余壓應力的影響層增大。

下面重點介紹文獻[5]研究的UNSM技術對滾針軸承和角接觸球軸承疲勞壽命的影響，因為所有的技術努力，最終的目標是實現材料壽命提高。在UNSM技術中將碳化鎢球連接到超聲變幅桿，變幅桿以20 kHz的頻率撞擊表面(圖1)。撞擊也可稱為微冷鍛，使表層產生嚴重的塑性和彈性變形，從而產生納米晶結構和深層殘余壓應力。此外，撞擊還會使試樣表面產生可控的微凹坑，改善相對運動中相互作用表面間的摩擦學特性。在彈流潤滑或混合潤滑的情況下，這些微凹坑可看做流體動壓軸承；在潤滑不足的情況下，可儲存潤滑劑；在滑動/滾動潤滑條件下，可儲存磨損碎屑。根據著名的Hall-Petch關系，經UNSM處理后在表層產生的納米結構可同時改善試樣的強度(硬度)和延展性(韌性)。