基于重复划痕试验的18CrNiMo7-6合金钢表面变质层硬度和磨损行为研究

彭腾; 张建伟; 李传航; 孙义刚; 孙鹿航

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.02.017

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基于重复划痕试验的18CrNiMo7-6合金钢表面变质层硬度和磨损行为研究

·实验研究·测试技术· | 更新时间：2026-02-12

- 基于重复划痕试验的18CrNiMo7-6合金钢表面变质层硬度和磨损行为研究
- Study on hardness and wear behavior of surface modification layer of 18CrNiMo7-6 alloy steel based on repeated scratch test
- 机械强度 2026年48卷第2期页码：144-150
- 作者机构：
  
  1.郑州大学力学与安全工程学院，郑州 450001
  2.南阳理工学院河南省冲击与工程结构灾害动力学国际联合实验室，南阳 473004
  3.郑州大学机械与动力工程学院，郑州 450001
- 作者简介：
  
  彭腾，男，1999年生，河南商丘人，在读硕士研究生；主要研究方向为抗疲劳制造；E-mail：pt2081704665@163.com。
  张建伟，男，1989年生，河南中牟人，博士，副教授，博士研究生导师；主要研究方向为抗疲劳制造和高分子材料力学性能；E-mail：zhangjianwei@zzu.edu.cn。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(12072324);河南省冲击与工程结构灾害动力学国际联合实验室开放课题(DIDES-2023-01)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.02.017
  中图分类号： TH114;TH142.2
- 收稿：2024-11-15，
  
  修回：2024-12-17，
  
  纸质出版：2026-02-15
- 稿件说明：
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彭腾，张建伟，李传航，等. 基于重复划痕试验的18CrNiMo7-6合金钢表面变质层硬度和磨损行为研究［J］. 机械强度，2026，48（2）：144-150.

PENG Teng，ZHANG Jianwei，LI Chuanhang，et al. Study on hardness and wear behavior of surface modification layer of 18CrNiMo7⁃6 alloy steel based on repeated scratch test［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（2）：144-150.
彭腾，张建伟，李传航，等. 基于重复划痕试验的18CrNiMo7-6合金钢表面变质层硬度和磨损行为研究［J］. 机械强度，2026，48（2）：144-150. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.02.017.

PENG Teng，ZHANG Jianwei，LI Chuanhang，et al. Study on hardness and wear behavior of surface modification layer of 18CrNiMo7⁃6 alloy steel based on repeated scratch test［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（2）：144-150. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.02.017.

摘要

目的

研究18CrNiMo7-6合金钢及其渗碳热处理后的表面变质层的硬度和抗磨损能力。

方法

采用维氏压头对18CrNiMo7-6合金钢基体和表面变质层进行不同法向载荷和划痕次数的重复划痕试验。使用光学显微镜，观察随划痕次数增加材料的损伤情况，通过三维形貌系统采集划痕形貌特征量（划痕宽度、残余深度、隆起高度），并计算了划痕硬度和磨损率。

结果

结果表明，18CrNiMo7-6合金钢基体的划痕宽度、残余深度、隆起高度以及磨损率均明显大于表面变质层，划痕硬度则明显小于表面变质层。经过渗碳热处理后的18CrNiMo7-6合金钢表面变质层的划痕硬度更高，磨损率更小，抗磨损能力得到了显著提升。研究结果可为表面变质层的构筑和性能演化的研究提供指导。

Abstract

Objective

To investigate the hardness and wear resistance of 18CrNiMo7-6 alloy steel and its surface modification layer after carburizing heat treatment.

Methods

Repeated scratch tests were conducted using a Vickers indenter on both the 18CrNiMo7-6 alloy steel substrate and the surface modification layer with varying normal loads and number of scratch cycles. Material damage as the scratch cycles increased was observed using the optical microscope. Scratch morphological characteristics

including scratch width

residual depth

and pile-up height

were measured using a three-dimensional profilometry system. Additionally

scratch hardness and wear rate were analyzed.

Results

The results show that both the scratch width and residual depth of the 18CrNiMo7-6 alloy steel substrate and surface-modified layer increased linearly with the number of scratch cycles. Due to the work-hardening effect induced by repeated scratching

the pile-up height also increased with the number of scratch cycles

although the rate of increase gradually diminished. The scratch width

residual depth

pile-up height

and wear rate of the 18CrNiMo7-6 alloy steel substrate were significantly higher than those of the surface-modified layer

while the scratch hardness was notably lower than those of the surface-modified layer. These findings suggest that the carburized surface-modified layer of 18CrNiMo7-6 alloy steel exhibits superior scratch hardness

a reduced wear rate

and significantly enhanced wear resistance compared to the substrate. The results can provide guidance for research on the construction and performance evolution of surface modification layer.

关键词

Keywords

references

陈海宽，徐广涛，孙博，等 . 喷丸对18CrNiMo7-6钢硬度影响的有限元分析［J］. 机械强度， 2022 ， 44 （ 3 ）： 726 - 730 .

CHEN Haikuan ， XU Guangtao ， SUN Bo ， et al . Effects of shot peening on hardness of 18CrNiMo7-6 steel based on finite element analysis ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2022 ， 44 （ 3 ）： 726 - 730 . （In Chinese）

赵振业 . 高强度合金抗疲劳应用技术研究与发展［J］. 中国工程科学， 2005 ， 7 （ 3 ）： 90 - 94 .

ZHAO Zhenye . Investigation and development status of the application technology to improve fatigue behavior of high strength alloys ［J］. Engineering Science ， 2005 ， 7 （ 3 ）： 90 - 94 . （In Chinese）

ZHANG J W ， QIN J H ， LI Y X ， et al . Extraction of the plastic properties of metallic materials from scratch tests using deep learning ［J］. Mechanics of Materials ， 2022 ， 175 ： 104502 .

BELLEMARE S C ， DAO M ， SURESH S . A new method for evaluating the plastic properties of materials through instrumented frictional sliding tests ［J］. Acta Materialia ， 2010 ， 58 （ 19 ）： 6385 - 6392 .

ZHANG J W ， ZHAO S W ， ZHANG J G . Influence of substrate and interfacial adhesion on the scratch resistance of poly（methylmethacrylate）［J］. Materials & Design ， 2020 ， 195 ： 108984 .

SZPARAGA Ł ， BARTOSIK P ， GILEWICZ A ， et al . Optimisation of mechanical properties of ZrC multilayer coatings ［J］. Thin Solid Films ， 2020 ， 704 ： 138016 .

王宁，柳元青，王波，等 . 基于内聚力模型的某传动机构涂层失效分析［J］. 机械强度， 2019 ， 41 （ 5 ）： 1188 - 1193 .

WANG Ning ， LIU Yuanqing ， WANG Bo ， et al . Failure analysis of the coating of transmission mechanism based on cohesive zone model ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2019 ， 41 （ 5 ）： 1188 - 1193 . （In Chinese）

朱强，袁峰，秦东晨 . 基于划痕曲线模糊特征分析法确定硬质薄膜临界载荷［J］. 机械强度， 2009 ， 31 （ 6 ）： 1015 - 1018 .

ZHU Qiang ， YUAN Feng ， QIN Dongchen . Critical load determination for hard films based on fuzzy feature analysis of scratching curve ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2009 ， 31 （ 6 ）： 1015 - 1018 . （In Chinese）

ZHANG J W ， ZHANG C C ， LI Y X ， et al . Fracture toughness testing of metallic materials based on scratch tests ［J］. Theoretical and Applied Fracture Mechanics ， 2024 ， 131 ： 104393 .

LIU M ， YANG S H ， GAO C H . Scratch behavior of polycarbonate by Rockwell C diamond indenter under progressive loading ［J］. Polymer Testing ， 2020 ， 90 ： 106643 .

XU N ， HAN W Z ， WANG Y C ， et al . Nanoscratching of copper surface by CeO 2 ［J］. Acta Materialia ， 2017 ， 124 ： 343 - 350 .

LÓPEZ-ARENAL J ， MOSHTAGHIOUN B M ， GÓMEZ-GARCÍA D ， et al . Scratch，fretting，and sliding wear of a ZrB 2 -hardened Zr 3 Al 2 intermetallic-ceramic composite ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2023 ， 23 ： 4044 - 4058 .

LIU M ， YAN F W ， GAO C H . Influence of sliding velocity on microscratch response of carbohydrate polymers by Berkovich indenter ［J］. Polymer Testing ， 2022 ， 109 ： 107542 .

ZHU Z M ， XIA Y ， NIU G G ， et al . Effect of direct fluorination on the mechanical and scratch performance of nitrile butadiene rubber ［J］. Wear ， 2017 ， 376 / 377 （Pa rt B）： 1314 - 1320 .

MADHAVAN R ， BELLON P ， AVERBACK R S . Wear resistance of Cu/Ag multilayers：a microscopic study ［J］. ACS Applied Materials & Interfaces ， 2018 ， 10 （ 17 ）： 15288 - 15297 .

GEE M G . Low load multiple scratch tests of ceramics and hard metals ［J］. Wear ， 2001 ， 250 ： 264 - 281 .

ANAND M ， BURMISTROVIENE G ， TUDELA I ， et al . Tribological evaluation of soft metallic multilayer coatings for wear applications based on a multiple pass scratch test method ［J］. Wear ， 2017 ， 388/389 ： 39 - 46 .

张悦 . 18CrNiMo7-6合金钢表面变质层的表征与疲劳行为研究［D］. 郑州：郑州大学， 2020 ： 30 - 56 .

ZHANG Yue . Study on characterization and fatigue behavior of surface metamorphic layer of 18CrNiMo7-6 alloy steel ［D］. Zhengzhou ： Zhengzhou University ， 2020 ： 30 - 56 . （In Chinese）

XU G T ， LUO J ， LU F Q ， et al . Characterization of fracture toughness for surface-modified layer of 18CrNiMo7-6 alloy steel after carburizing heat treatment by indentation method ［J］. Engineering Fracture Mechanics ， 2022 ， 269 ： 108508 .

卢凤强 . 18CrNiMo7-6合金钢表面变质层动态本构参数确定［D］. 郑州：郑州大学， 2022 ： 33 - 55 .

LU Fengqiang . Determination of dynamic constitutive parameters for the surface-modified layers of 18CrNiMo7-6 alloy steel ［D］. Zhengzhou ： Zhengzhou University ， 2022 ： 33 - 55 . （In Chinese）

XU G T ， CAO X Y ， QIAO Y K ， et al . Anisotropic elastic-plastic properties of surface-modified layers of 18CrNiMo7-6 alloy steel after carburizing heat treatment determined by an indentation method ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2022 ， 17 ： 1349 - 1362 .

WANG G ， WANG M ， WANG Z H ， et al . Characterization of hydrogen embrittlement sensitivity of 18CrNiMo7-6 alloy steel surface-modified layer based on scratch method ［J］. Anti-Corrosion Methods and Materials ， 2024 ， 71 （ 4 ）： 417 - 427 .

RODRÍGUEZ-CASTRO G A ， VEGA-MORÓN R C ， MENESES-AMADOR A ， et al . Multi-pass scratch test behavior of AISI 316L borided steel ［J］. Surface and Coatings Technology ， 2016 ， 307 ： 491 - 499 .

ÖPÖZ T T ， CHEN X . Experimental study on single grit grinding of Inconel 718 ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part B：Journal of Engineering Manufacture ， 2015 ， 229 （ 5 ）： 713 - 726 .

BELLEMARE S ， DAO M ， SURESH S . The frictional sliding response of elasto-plastic materials in contact with a conical indenter ［J］. International Journal of Solids and Structures ， 2007 ， 44 （ 6 ）： 1970 - 1989 .

LIU M ， YAN F W . Scratch-induced deformation and damage behavior of doped diamond-like carbon films under progressive normal load of Vickers indenter ［J］. Thin Solid Films ， 2022 ， 756 ： 139351 .

刘明，李国翔，周超，等 . 恒定大载荷划痕试验下紫铜的三维形貌及划痕硬度分析［J］. 摩擦学学报， 2021 ， 41 （ 4 ）： 467 - 473 .

LIU Ming ， LI Guoxiang ， ZHOU Chao ， et al . Analysis of 3D morphology and scratch hardness of copper under large constant load ［J］. Tribology ， 2021 ， 41 （ 4 ）： 467 - 473 . （In Chinese）

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