等離子滲氮處理馬氏體時(shí)效鋼的超高周疲勞性能_內(nèi)部破壞-論文網(wǎng)

1、等離子滲氮處理馬氏體時(shí)效鋼的超高周疲勞性能_內(nèi)部破壞-論文網(wǎng)論文摘要：本文使用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)方法研究了經(jīng)過(guò)等離子滲氮處理的馬氏體時(shí)效鋼的超高周疲勞性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，滲氮處理雖然提高了疲勞強(qiáng)度，但其提高程度受處理溫度和時(shí)間的影響很大。等離子滲氮材在超過(guò)10 周次應(yīng)力循環(huán)的超高周疲勞領(lǐng)域仍然發(fā)生疲勞破壞，但破壞機(jī)理明顯不同于未處理材，也和其在短壽命領(lǐng)域不同，裂紋往往從材料內(nèi)部萌生，呈現(xiàn)出典型的“魚(yú)眼”破壞特征，且沒(méi)有傳統(tǒng)意義上的疲勞極限。論文關(guān)鍵詞：等離子滲氮,超高周疲勞,馬氏體時(shí)效鋼,內(nèi)部破壞0引言近年來(lái)，航空航天、交通運(yùn)輸、核工業(yè)、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域，許多工程材料和結(jié)構(gòu)部件在工作過(guò)程中需要承受

2、超過(guò)千萬(wàn)次的循環(huán)載荷。有關(guān)工程材料在周次應(yīng)力循環(huán)以上的超高周領(lǐng)域的疲勞行為研究己成為疲勞研究的一個(gè)新課題，引起了學(xué)者和工程界的高度重視。為了評(píng)估表面改性對(duì)金屬材料疲勞強(qiáng)度的影響,日本的研究者率先開(kāi)展了超高周疲勞行為領(lǐng)域的研究。Naito等在1982年使用頻率50Hz的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)經(jīng)過(guò)滲氮處理的Cr-Mo鋼(JISSCM415H)進(jìn)行了10次應(yīng)力循環(huán)的疲勞實(shí)驗(yàn)1，實(shí)驗(yàn)得到的SN曲線顯示出兩個(gè)彎折點(diǎn),出現(xiàn)了疲勞極限消失的現(xiàn)象。此后,Masuda,Emura等在研究者對(duì)不同材料進(jìn)行研究時(shí)也驗(yàn)證了同樣的現(xiàn)象2,3。研究表明，高強(qiáng)度鋼和表面改性鋼在低于傳統(tǒng)的疲勞極限的應(yīng)力條件下，在超過(guò)10周次應(yīng)

3、力循環(huán)后依然會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞行為，且與短壽命領(lǐng)域表現(xiàn)出呈現(xiàn)出明顯的不同特征，其裂紋往往從材料內(nèi)部的缺陷和夾雜物處萌生，S-N曲線呈現(xiàn)出階梯型，沒(méi)有明顯的傳統(tǒng)意義上的疲勞極限4-7。但因材料的種類，表面狀態(tài)和環(huán)境等不同，材料的超高周疲勞行為有著顯著的差異。王清遠(yuǎn)研究發(fā)現(xiàn)等離子滲氮處理可以顯著提高麻時(shí)效鋼的疲勞強(qiáng)度，但經(jīng)過(guò)表面處理的高氮鉻軸承鋼的疲勞強(qiáng)度卻下降約20%8。與傳統(tǒng)滲氮處理方法相比，等離子滲氮具有可以精確控制表面化合物層的有無(wú)及深度、表面光滑、能耗低、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單且污染小等許多優(yōu)點(diǎn)9。因此，目前等離子滲氮表面改性技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都得到了廣泛的應(yīng)用，其能有效提高金屬材料的耐磨性，耐腐蝕性和疲勞

4、性能等。但對(duì)經(jīng)過(guò)等離子滲氮處理的金屬材料在超高周疲勞破壞區(qū)域的疲勞特性，尤其是破壞機(jī)理目前尚不清楚。因此，本研究通過(guò)改變滲氮處理?xiàng)l件，使?jié)B氮層組織和深度發(fā)生變化，探討其在10周次應(yīng)力循環(huán)以上區(qū)域的疲勞行為及破壞機(jī)理。1材料與試驗(yàn)方法本研究選取馬氏體時(shí)效鋼為研究對(duì)象，該材料是實(shí)用鋼中強(qiáng)度最高且韌性較高的材料。其化學(xué)成分如表1所示，材料經(jīng)過(guò)機(jī)械加工成如圖1所示的疲勞實(shí)驗(yàn)用試件后，先對(duì)其表面進(jìn)行電解拋光，然后再進(jìn)行滲氮處理。滲氮處理時(shí)，試件先在真空環(huán)境中加熱到設(shè)定溫度，然后加入氫氣和氨氣的混合氣體，通過(guò)混合氣體的放電產(chǎn)生離子密度小且能量低的等離子體，同時(shí)在試件表面生成高活性自由基，實(shí)現(xiàn)對(duì)試件表面的滲

5、氮處理。本研究中選取了三種處理?xiàng)l件，分別是：4801h和5h，5701h。后面相應(yīng)標(biāo)記為48N1、48N5和57N1。滲氮材的硬度和殘留應(yīng)力的測(cè)定分別采用顯微硬度計(jì)和X射線應(yīng)力測(cè)定裝置進(jìn)行，疲勞試驗(yàn)采用小野式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)在室溫、大氣條件下進(jìn)行。對(duì)所有疲勞斷裂試件使用掃描式電子顯微鏡（SEM）對(duì)其斷面進(jìn)行了觀察與分析。表1馬氏體時(shí)效鋼的化學(xué)組成Table1Chemicalcomposition(wt.%) C Si Mn P S Ni Mo Co Al Ti 0.005 0.03 0.04 0.002 0.002 18.69 4.89 8.92 0.1 0.91 圖1疲勞試驗(yàn)試樣的形狀和尺

6、寸Fig.1Shapeanddimensionsofspecimenforfatiguetest2結(jié)果與討論圖2是各種滲氮處理材料的表面組織。所有滲氮材的表面都能明顯觀察到化合物層，并且滲氮時(shí)間長(zhǎng)或者溫度高者滲氮層深。圖3表示各種滲氮材料橫斷面的硬度分布。滲氮處理材料的表面硬度都得到大幅度提高，但硬化層深度受處理溫度與時(shí)間影響不大，其中48N5材的表面硬度最高且深度最深，其表面硬度可以提高到未處理材的接近一倍。所有材料均在距試件表面60m到100m左右的維氏硬度為630左右，這也是材料進(jìn)行處理前的硬度值。此外，所有滲氮材料表面均存在壓縮殘留應(yīng)力，其大小為500MPa左右，且同硬度分布規(guī)律類似，

7、在距表面大約80m到100m左右消失。 (a) 48N - 1 (b) 48N - 5 (c) 57N - 1 圖2滲氮材的顯微組織 Fig.2Surfacestateofnitridedspecimen圖3滲氮試樣截面的硬度分布Fig.3Hardnessdistributionsofnitridedspecimens圖4表示各種滲氮材料的S-N曲線。為了與滲氮材比較，圖中也給出了和滲氮溫度接近的480和570的時(shí)效材的S-N曲線，這也是通常采用的時(shí)效溫度，并且2h和6h是此溫度條件下疲勞強(qiáng)度較高的時(shí)效時(shí)間。結(jié)果表明滲氮處理顯著改善了材料的疲勞強(qiáng)度，但其提高程度隨載荷水平以及滲氮條件的不同而明顯不同。此外，對(duì)于48N1材和48N5材，在高應(yīng)力條件下發(fā)生表面破壞，而在低應(yīng)力條件下材料依然會(huì)發(fā)生疲勞破壞，且裂紋從材料內(nèi)部發(fā)生，圖中用“”表示以示區(qū)別。它們的S-N曲線形狀呈現(xiàn)階梯型，沒(méi)有觀察到明顯的傳統(tǒng)意義的疲勞極限。通過(guò)滲氮可提高疲勞強(qiáng)度，其主要原因是表面硬化和產(chǎn)生了壓