QPQ鹽浴復(fù)合熱處理中滲氮溫度對4145鋼疲勞壽命的影響

王強+林元華

摘 要：隨著鉆井深度的增加，鉆具服役工況越來越惡劣，鉆桿疲勞失效問題日漸突出。鉆桿的失效帶來嚴(yán)重的事故和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，故研究鉆桿的疲勞性能具有直接工程意義。文章研究了4145鋼在不同滲氮溫度下鹽浴復(fù)合處理（QPQ）后對其疲勞壽命的影響。按照數(shù)理統(tǒng)計方法對疲勞實驗結(jié)果進(jìn)行分析處理，對比不同滲氮溫度工藝處理下的試樣和原始試樣的疲勞S-N曲線的差異。通過旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗表明，QPQ處理可顯著提高4145鋼的疲勞壽命。在580℃滲氮溫度下，其疲勞極限提高幅度最大，比未處理試樣提高約23.2%。利用掃描電子顯微鏡對疲勞試樣斷口進(jìn)行分析，分析鹽浴熱處理提高4145鋼疲勞壽命的主要原因。

關(guān)鍵詞：P-S-N曲線；疲勞壽命；QPQ鹽浴處理；斷口分析

QPQ技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工程制造領(lǐng)域、機械和汽車工業(yè)，以增強材料的耐磨性、耐疲勞性和耐腐蝕性能。文章采用QPQ處理技術(shù)對4145鋼進(jìn)行表面改性處理，重點探討不同滲氮溫度下QPQ復(fù)合處理對4145鋼的疲勞壽命的影響，獲得提高4145鋼疲勞壽命的最佳滲氮溫度[1]。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

文章所用的實驗試樣為軋制態(tài)某井下工具用鋼4145H，調(diào)質(zhì)工藝為820℃雙液淬火+（600～630）℃高溫回火，試樣化學(xué)成分和機械性能如表1中所示。

試驗所用的旋轉(zhuǎn)疲勞試驗機為PQ-6旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機，轉(zhuǎn)速為3000r/min。根據(jù)《金屬旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗方法》的規(guī)定，實驗在室溫下進(jìn)行，對稱應(yīng)力循環(huán)（R=-1）。

1.2 實驗方法

QPQ鹽浴處理工藝：

用1200目的砂紙將所有試樣表面預(yù)磨光整，并用丙酮或酒精清洗表面油污，擦拭干凈。將3組試樣放入350℃空氣爐中預(yù)熱25min，以防試樣入爐后鹽浴溫差變化過大，另一方面預(yù)熱后表面形成一層氧化膜，該膜有利于吸附氮原子促進(jìn)滲氮過程。預(yù)氧化后將試樣按組分別放入520℃、550℃和580℃氮化鹽浴中保溫2h，最后將氮化處理過的試樣放入370℃氧化鹽浴中保溫30min。第4組試樣未處理，用作對比參考。處理后的試樣，用2%的硝酸酒精溶液腐蝕其斷面，用EVO/MA15（德國蔡司）掃描電子顯微鏡對實驗中的不同工藝參數(shù)處理下的疲勞試樣斷口進(jìn)行分析。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 實驗結(jié)果

對未鹽浴處理的試樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實驗。試樣的抗拉強度為1100MPa，根據(jù)經(jīng)驗公式σ=σb選擇第一次實驗的應(yīng)力大小為550MPa，應(yīng)力梯度為15MPa，然后根據(jù)上述實驗方法進(jìn)行實驗。

計算各應(yīng)力水平下對數(shù)疲勞壽命的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，將平均值結(jié)果作為數(shù)據(jù)點的X軸坐標(biāo)值，對應(yīng)應(yīng)力值作為數(shù)據(jù)點Y軸坐標(biāo)值，然后對該組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得出應(yīng)力-疲勞壽命曲線的Aav值為40.3187，Bav為-12.5370。同理將標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果作為數(shù)據(jù)點X軸坐標(biāo)值，對應(yīng)應(yīng)力值作為數(shù)據(jù)點Y軸坐標(biāo)值，線性擬合后得出Arms為1.5296，Brms為-0.5256。因此，對照公式（1）[2]，得出該4145鋼的概率應(yīng)力-疲勞壽命曲線為：

由圖1可以看出，實驗得到535MPa越出數(shù)據(jù)兩個，550MPa越出數(shù)據(jù)三個，565MPa越出數(shù)據(jù)兩個，分別進(jìn)行配對，得到七個對子。計算該組應(yīng)力值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，得出S-1，av=557.5MPa，S-1，rms=12.2475。根據(jù)公式（1）得出該4145鋼在任意存活率和置信度下的疲勞極限值如下式所示：

實驗研究可靠度為50%、90%和99%時材料的疲勞壽命的大小，即分別表明只有50%、10%和1%的試樣在達(dá)到預(yù)測的循環(huán)壽命次數(shù)前發(fā)生失效。將其對應(yīng)的概率分布函數(shù)值分別帶入式（2）中，得出對應(yīng)的疲勞極限值。同樣將概率分布函數(shù)值帶入式（1）中得到該4145鋼在中短壽命區(qū)的三條不同可靠度的S-N曲線表達(dá)式。已知計算出對應(yīng)這三個存活率下的疲勞極限值（置信度為95%），以該極限值作為S-N曲線的拐點，將中短壽命區(qū)曲線與升降法得到的極限繪制在一張S-logN圖中，得出該4145鋼完整的S-N曲線，如圖1所示：

分析鹽浴熱處理滲氮溫度對4145鋼疲勞壽命的影響，將3組鹽浴處理試樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實驗，并分析得出3組疲勞S-N曲線及原始未進(jìn)行鹽浴處理試樣的結(jié)果繪制在一張圖中，取存活率99%，如圖2所示：

由圖中看出，不同滲氮溫度試樣的疲勞性能發(fā)生了變化，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗之后得到了不同的結(jié)果。存活率99%時4145鋼原始疲勞試樣的疲勞極限是497.66MPa，滲氮溫度520℃試樣的疲勞極限是571.25MPa，滲氮溫度550℃試樣的疲勞極限是587.98MPa，滲氮溫度580℃試樣的疲勞極限是613.25MPa。不同滲氮溫度的試樣疲勞極限較原始試樣均有明顯提高，其中580℃的疲勞極限較基體試樣提高23.2%。隨著滲氮溫度的提高，疲勞極限略有增高，其中滲氮溫度580℃的試樣提高較多。

2.2 疲勞試樣斷口分析

因為試樣的裂紋必然出現(xiàn)在表面缺陷最嚴(yán)重的位置，但經(jīng)過QPQ處理，試樣整個表面都得到了強化，使得表面缺陷對裂紋擴(kuò)展的敏感性趨于一致，表面形成的強化層和殘余壓應(yīng)力對裂紋擴(kuò)展起主要的作用[3]。經(jīng)過鹽浴熱處理后，表面形成的強化層硬度較高，裂紋在此表面萌生，在承受交變應(yīng)力時，表面強化層對裂紋擴(kuò)展有抑制作用，裂紋源周對應(yīng)區(qū)并不是試樣最終瞬斷區(qū)當(dāng)試樣的有效承載面積不足以承受加載應(yīng)力時，表面強化層脆性斷裂。

3 結(jié)論

（1）利用Basquin模型以及數(shù)理統(tǒng)計理論對中短壽命區(qū)成組法

實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到材料的S-N曲線，將其與升降法得出的疲勞極限繪制在一張S-logN圖中，得出材料的完整概率疲勞壽命曲線。

（2）實驗得到不同滲氮溫度的S-N曲線。通過對比分析可以看出，QPQ鹽浴復(fù)合處理技術(shù)對試樣的疲勞壽命均有不同程度的提高。其中滲氮溫度為580℃的試樣提高的較為明顯。疲勞極限提高了23.2%。疲勞強度的提高主要是由于QPQ處理在金屬表面形成的復(fù)合滲層和表面殘余壓應(yīng)力的作用。

（3）未處理原始試樣的裂紋源與表面缺陷處，疲勞源區(qū)一次疲勞溝線較為明顯，鹽浴熱處理試樣的裂紋源與次表面，看不到明顯的裂紋擴(kuò)展。因此，裂紋擴(kuò)展的方式和擴(kuò)展速率有所變化，這是鹽浴熱處理提高疲勞性能的主要原因。

參考文獻(xiàn)

[1]李鶴林，李平全，馮耀榮.石油鉆柱失效分析及預(yù)防[M].北京：石油工業(yè)出版社，1999：4-12.

[2]萬里平，孟英峰，楊龍，等.鉆柱失效原因及預(yù)防措施[J].鉆采工藝，2006，29（1）：57-59.

[3]林元華，羅宏志，鄒波，等.鉆柱失效機理及其疲勞壽命預(yù)測研究[J].石油鉆采工藝，2004，26（1）：19-22.

[4]傅志強，潘宏偉，陳光志，等.40CrNiMo鋼齒輪軸斷裂原因分析[J].金屬熱處理，2011，36（S1）：376-378.