探究鋼鐵材料復(fù)合強(qiáng)化的可行性分析

趙寶寶 張曉燕

（西京學(xué)院，陜西 西安 710123）

探究鋼鐵材料復(fù)合強(qiáng)化的可行性分析

趙寶寶 張曉燕

（西京學(xué)院，陜西 西安 710123）

強(qiáng)化鋼鐵材料的方法種類很多，復(fù)合強(qiáng)化也在逐漸采用，復(fù)合強(qiáng)化是指綜合應(yīng)用合金化、相變強(qiáng)化及形變強(qiáng)化等手段，以達(dá)到充分發(fā)揮鋼鐵材料疲勞強(qiáng)度潛力的目的。目前針對(duì)復(fù)合強(qiáng)化的研究，對(duì)于充分發(fā)揮鋼鐵材料的疲勞強(qiáng)度潛力理論方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。本文就通過以復(fù)合強(qiáng)化途徑來探究如何發(fā)揮鋼鐵材料的疲勞強(qiáng)度潛力來進(jìn)行分析。

鋼鐵材料；相變強(qiáng)化；形變強(qiáng)化；疲勞強(qiáng)度；途徑分析

一、馬氏體相變強(qiáng)化與形變強(qiáng)化的機(jī)理分析

經(jīng)查閱，鋼鐵材料在經(jīng)噴丸、滾壓等過程強(qiáng)化后，其材料性質(zhì)發(fā)生如下的物理——力學(xué)性能的變化。鋼鐵材料經(jīng)滾壓過程后表面光潔度顯著增強(qiáng)（ΔV），比如40CrNiM0鋼淬火+低溫回火狀態(tài)，其滾壓后表明光潔度可達(dá)到Δ9-11。而噴丸過程則會(huì)使其表面光潔度減弱，表面硬度增強(qiáng)（ΔHV）。其表面滾壓后形變硬化層中的精細(xì)結(jié)構(gòu)也發(fā)生很大變化（即位錯(cuò)密度（ρ）增強(qiáng)，嵌鑲塊尺寸（D）顯著變小，淬火態(tài)的

研究表明，鋼鐵材料的淬火后馬氏體形態(tài)與其他淬火后再回火組織狀態(tài)相比較，表面經(jīng)滾壓形變硬化強(qiáng)化后，具有更高的ΔHV（圖2），б-，ΔV。

因此利用鋼鐵材料馬氏體相變強(qiáng)化與形變強(qiáng)化的復(fù)合強(qiáng)化是提高疲勞強(qiáng)度極限的有效途徑之一。

圖1　馬氏體電鏡下的形狀

圖2　硬度增加與鋼的組織狀態(tài)的關(guān)系

二、鋼鐵材料復(fù)合強(qiáng)化提高疲勞疲勞強(qiáng)度的力學(xué)分析

經(jīng)查閱資料，在材料疲勞失效抗力考量外，還要考慮比如裂紋孕育期壽命N0、裂紋擴(kuò)展期的壽命NP、疲勞裂紋擴(kuò)展門坎值（ΔKth）、裂紋擴(kuò)展速率da/dN以及極限裂紋深度a0等表征參量。其表達(dá)式為：

對(duì)缺口試樣的疲勞總壽命為

從表達(dá)式中我們可以明顯看出，N0增大，da/dN減小，ac增長(zhǎng)，材料的總疲勞壽命Nf才最長(zhǎng)。研究表明，針對(duì)中碳合金鋼經(jīng)過整塊淬火后即刻低溫回火到馬氏體狀態(tài)具有高的強(qiáng)度較低的塑性、韌性相配合，只能夠顯著提升б-1、б-1H、N0，但針對(duì)ΔKth較小、da/dN較大，則不能整體兼顧增強(qiáng)疲勞失效抗力的表征參數(shù)。從公式（1）～（7）可以看出，對(duì)淬火后馬氏體狀態(tài)如果再進(jìn)行表面形變強(qiáng)化，當(dāng)表面引入高的б-，例如淬火+低溫回火的40CrNiM0，其表面進(jìn)行滾壓過程處理后，表面的б-可達(dá)到-220kg/mm2，使得ΔK和R大大降低，進(jìn)而使ΔKth升高，da/dN減小，再加上ΔHV及ΔV的升高N0也會(huì)升高，б-1，б-1H也顯著增大，已知極限裂紋深度（a0）主要取決于材料的塑性、韌性。如果在循環(huán)載荷下想要材料具有較大的極限裂紋深度（a0）和較大的裂紋失穩(wěn)抗力（循環(huán)斷裂韌性kf0），則可以將表面進(jìn)行熱處理（表面感應(yīng)加熱淬火+表面化學(xué)熱處理）零件心部具有較高塑性、韌性的材料，進(jìn)而再進(jìn)行表面形變強(qiáng)化。

通過以上分析可見，鋼鐵材料相變強(qiáng)化和形變強(qiáng)化是全面提升鋼鐵材料疲勞失效抗力表征參量的有效途徑。

三、為了達(dá)到材料等強(qiáng)度設(shè)計(jì)目的，將零件薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行局部形變強(qiáng)化

實(shí)際生產(chǎn)中，很多零件為了滿足實(shí)際使用要求，則必須帶有缺口，而對(duì)于帶有缺口、又承受比較大變載荷的工件，由于缺口處的度應(yīng)力高度集中，很可能產(chǎn)生足以使原整個(gè)零件所承受的較低應(yīng)力、高周次疲勞載荷在那個(gè)局部改變成高應(yīng)變塑性疲勞載荷。從材料強(qiáng)度的角度分析，針對(duì)以上狀況，生產(chǎn)中常用較大的塑性、較低強(qiáng)度的熱處理手段工藝來解決這種問題。通過實(shí)際研究認(rèn)為，以高強(qiáng)度鋼利用局部形變強(qiáng)化的方GCr15鋼經(jīng)表面滾壓過程后，其ρ值變大約3倍，D值縮小約3倍。材料表面滾壓過程強(qiáng)化使?jié)B碳、淬火態(tài)鋼中的殘余奧氏體立即產(chǎn)生馬氏體相變（Φ）（圖1），殘余奧氏體含量降低，電鏡下觀察到馬氏體針正在碎化，物理量（ρ，D，Φ）參數(shù)的變化綜合地反映出表面硬度ΔHV的增強(qiáng)。此外，鋼鐵材料表面形變強(qiáng)化在其表層產(chǎn)生了有利的殘余壓應(yīng)力（б-）。所以，鋼鐵材料的疲勞強(qiáng)度提高（Δбw）與參量變化有關(guān)，并可定性地用下列函數(shù)關(guān)系來表達(dá)。法來解決零件的薄弱環(huán)節(jié)容易損壞的問題，使得薄弱部位塑性應(yīng)變大幅度減小，甚至消除，另外引入有利殘余壓應(yīng)力，以提高局部有效承載能力，使得零件各個(gè)部位都接近疲勞強(qiáng)度，從而進(jìn)行等強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，采用后一種工藝方法更加積極有效。

對(duì)零件進(jìn)行表面滾壓形變強(qiáng)化的工藝是實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常使用的強(qiáng)化工藝，以前一般更多地采用在鋼的正火和調(diào)質(zhì)狀態(tài)。對(duì)于高強(qiáng)度鋼，表面進(jìn)行化學(xué)熱處理之后，高硬度零件再經(jīng)過表面滾壓強(qiáng)化的工藝研究，早在20世紀(jì)末就引起了學(xué)者關(guān)注。因此，本文側(cè)重對(duì)鋼鐵材料復(fù)合強(qiáng)化在理論上進(jìn)行研究與分析。關(guān)于復(fù)合強(qiáng)化手段對(duì)高強(qiáng)度的鋼疲勞強(qiáng)度影響規(guī)律和復(fù)合強(qiáng)化在具體零件中的實(shí)際應(yīng)用，下一步我們進(jìn)行試驗(yàn)與研究，本文不再作專門論述。

四、分析結(jié)果

1.鋼鐵材料利用復(fù)合強(qiáng)化手段提高疲勞強(qiáng)度極限是有效途徑。

2.零件局部滾壓強(qiáng)化引入有利的殘余壓應(yīng)力達(dá)到各部位疲勞強(qiáng)度等強(qiáng)度設(shè)計(jì)是一種更為積極有效的方法。

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