试验研究渗氮条件对马氏体时效钢疲劳强度的影响华东交通大学机电学院 (南昌 330014) 黄 勇 编译0 前言马氏体时效钢是实用钢中强度最高而且韧性也很高的材料。

但是,它存在着与高的静强度相比,疲劳强度低这一高强度钢所特有的问题。

为此,进行了旨在改善疲劳特性的多项研究。

森野数博等人弄清了若从组织学观点出发,通过改变时效条件,使之生成适当的逆相变奥氏体,就能改善疲劳强度。

此外,表面改性也是有效的方法。

为此,探讨了喷丸硬化和渗氮的影响,报道了利用这些方法得以大幅度提高疲劳强度的结果。

但是,这样一些疲劳强度的改善,其效果和机理均有所不同。

例如,逆相变奥氏体的影响在低应力条件下明显,此外渗氮的效果也随应力水平之不同而异。

在高应力条件下,由硬化导致的脆性是疲劳强度低下的主要原因。

因此,实际讨论这种改善疲劳强度的策略时,必须先弄清各不同方法的最适宜条件,由此,也就必须弄清渗氮的利弊。

以此观点探讨了渗氮马氏体时效钢的疲劳特性,但对于被列为讨论对象的寿命区域,在107以下的疲劳特性及破坏机理尚不一定十分清楚。

因此,在本研究中,森野数博等人根据迄今的研究结果,通过改变渗氮条件,使渗氮层组织和深度发生变化,探讨其对疲劳强度的影响,以弄清通过渗氮来改善疲劳强度时所存在的问题。

1 材料、试样及实验方法实验所用材料为市面出售的300级马氏体时效钢,在固熔化处理的状态下被采用。

其化学成分示于表1。

将材料机械加工成图1所示的形状后,渗氮材料在渗氮处理前,时效材料在时效处理后,将表面电解抛光约20 m 。

时效条件要进行预备实验,选择了不完全时效状态的480 、2h 和6h,以及生成与此相同硬度之逆相变奥氏体的过时效条件的570 、2h 。

选择480 是因为它是通常采用的时效温度,同时也接近渗氮温度,并考虑到了2h 和6h 乃是疲劳强度最高的范围。

此外,由于渗氮与时效同时进行,为使内部硬度达到相同,选择了与时效条件相对应的加热温度和时间,以图2所示的三种条件进行实验。

表1 化学成分(质量分数)%CSiMnPSNiMoCo Al Ti 0.0050.030.040.0020.00218.69 4.898.920.10.91本研究采用的渗氮方法是可以控制表面化合物层的基本的渗氮法。

以下用处理条件的温度、时间和处理法标记各种材料,将480 、570 的时效材料记为48A_2、48A_6和57A_2材料,将480 、570渗氮材料记为48N_1、48N_5及57N_1材料。

图3表示各种渗氮材料的组织照片。

无论哪种材料都能确第25卷第6期2004年12月国外金属热处理GUOWAI JINS HU REC HULI Vol.25,No.6Dec,2004认其渗氮层,但渗氮时间长或温度高者渗氮层深。

硬度及残留应力的测定分别采用显微硬度计及X 射线应力测定装置进行。

疲劳试验采用小野式旋转弯曲疲劳试验机(容量:15N m;旋转数:约50HZ)在室温大气中进行。

2 实验结果及考察图4表示各种渗氮材料的硬度分布。

所有材料的表面硬化深度均为50 m 到100 m 左右,而48N_5材料的硬化深度最深。

而且,所有的材料的内部硬度均大致相同,为维氏硬度620~650。

对于57N_1材料虽然表面相当硬,但在表面下方的硬度降低比其它材料大,因此,可以认为表层的高硬度是受化合物层影响所致。

此外,所有渗氮材料表面均存在压缩残留应力,其大小为500MPa左右。

图5表示各种材料的S_N 曲线。

图中!/∀标记表示有内部破坏。

如后面所述,对于48N_1材料和48N_5材料,在高应力条件下发生表面破坏,而在低应力条件下发生内部破坏。

因此,48N_1材料和48N_5材料的S_N 曲线形状成为二级弯折曲线。

此外,通过渗氮虽然提高了疲劳强度,但其提高程度随应力水平及渗氮条件的不同而不同。

而且,若渗氮时间延长,则在表面发生破坏的高应力条件下,其寿命缩短,但在内部发生破坏的低应力条件下则形成大致相等的疲劳寿命。

另一方面,对于57N_1材料即使超过107周次,也和时效材料48A_2、48A_6和57A_2材料一样均发生表面破坏,其S_N 曲线形状也是随着应力降低疲劳寿命增大的普通形状(关于达到更长寿命区域情况的破坏机理尚须研究)。

此外,57N_1材料的疲劳强度由硬度分布、残留应力差异所推断出的结果比48N_1、48N_5的低得多,仅高于时效材料的结果。

此外,关于57A_2材料及48A_6材料与57A_2材料疲劳强度的差异,正如目前所知道的,由于是在过时效条件下生成逆相变奥氏体,故在低应力条件下,57A_2材料的疲劳强度稍高。

图6~8表示各种材料的疲劳断裂面。

图6表示作为时效材料例子的48A_2材料的结果。

但在时效材料的情况下,所有应力均导致表面破坏,而对渗氮材料,在57N_1材料的全部应力区域和48N_1、48N_5材料的高应力区域,破坏均由表面发生(图7)。

另一方面,如图8所示,48N_1、48N_5材料在低应力区域发生以夹杂物为起点的内部破坏。

图8所示各种材料中鱼眼的宏观照片(a_1)、(b_1)和试样表面方向的鱼眼边界(a _2)、(b_2),鱼眼中央部份(a _3)、(b_3),以及试样内部方向的鱼眼边界(a _4)、(b_4)的显微照片。

由放大照片可知,在鱼眼边缘,能观察到凹凸不平的严重的原奥氏体晶界裂纹,而且在其周20 国外金属热处理第25卷围观察到在马氏体时效处理钢中经常能看到的马氏体板条裂纹。

根据这一事实,可以推测到达鱼眼边界后的裂纹传播迅速进展,以至于最终发生断裂。

渗氮材料中原奥氏体晶界裂纹不仅在鱼眼边界,而且在试样表面层也能被观察到,但其比率以渗氮时间长或渗氮温度高者为高。

此外,所有材料的内部裂纹在渗氮硬化层的传播都受到阻碍。

鱼眼的边界位置在试样表面下方的21 第6期黄 勇:渗氮条件对马氏体时效钢疲劳强度的影响内部,但48N_5材料与48N_1材料相比,前者在试样表面方向的边界不清楚,这也表明由渗氮引起的脆化使裂纹的传播加速。

有报告称,在高强度钢长寿命区域发生内部破坏时,在鱼眼起点部位观察到粒状断裂面,而且寿命愈长,其范围愈大。

图9是以48N_1材料为例表示鱼眼起点部位。

本研究材料的起点部位周围也能观察到粒状断裂面。

且长寿命者此范围较大。

图10表示48N_1材料和48N_5材料内部破坏的起点深度d inc 和疲劳寿命Nf 的关系。

所有材料,其破坏起点都是分布在硬化层边界附近的夹杂物。

图11表示48N_1材料和48N_5材料的鱼眼尺寸2b 和疲劳寿命Nf 的关系。

疲劳寿命愈长,鱼眼就愈大,未见渗氮时间对此关系之影响。

表2表示各种材料的机械性质。

表2 表示材料的机械性质 0.2/MPaB /MPa T /MPa (%)48A_248A_657A_248N_148N_557N_119412020206121002150194419702090207421172155200026852740288425882370214455.654.353.447.131.512.9图12表示各种材料拉伸断裂后的表面照片。

由于渗氮处理使塑性下降,且渗氮时间愈长或者温度愈高,则降低愈甚。

特别是57N_1材料,虽拉伸强度也降低,但塑性则是大幅度降低。

与此相对应,在57N_1材料的情况下,渗氮材料的表面也发生脆性裂纹,且试样的缩颈非常小,即脆化很大。

这种状况也与疲劳性能方面已被确认的渗氮层脆化(图7,8)相对应。

图13是为了观察渗氮处理对裂纹传播特性的影响,而将57N_1材料表面裂纹的传播曲线与48A_6材料的该曲线进行比较。

图14是表示两种材料裂纹形态复膜的照片。

图13中横座标上的空缺标记表示在此交变下未确认裂纹。

马氏体时效钢与其它高强度材料一样,裂纹一旦发生之后,就迅速传播。

48A_6材料也一样,但对57N_1材料而言,虽然裂纹发生受到抑制,但裂纹传播却更加迅速,从而全部寿命中几乎100%都是发生裂纹的寿命。

这点从裂纹的形态上,前者为塑性的而后者为脆性的这一事实,亦可明了。

22 国外金属热处理第25卷如上所述,进行渗氮处理,可延长疲劳寿命,但若延长渗氮时间或提高渗氮温度,则在发生表面破坏的区域,疲劳寿命缩短。

可以认为这是由于通过渗氮使氮在表面扩散的同时生成了氮化物,这些氮化物主要析出于原奥氏体晶界,结果随着塑性的大幅度降低,产生了晶界裂纹。

也就是说,表面脆化所产生的不良影响大于渗氮所引起的表面硬化的效果,从而在高应力下产生粒界裂纹,导致寿命缩短。

另一方面,可以认为在产生内部破坏的应力区域中,内部裂纹的传播主要发生在硬化层边界附近,其理由是,在那里两种材料的硬度几乎相同。

此外,在57N_1材料的情况下,如前所述,渗氮温度乃是逆相变奥氏体析出的温度条件,这些奥氏体析出于组织边界。

可以认为,这一现象与上述的晶界开裂行为有关,但逆相变奥氏体对渗氮的影响目前尚不清楚。

4 小结为了弄清有关马氏体时效钢渗氮时的疲劳强度的时效性及问题,通过改变渗氮温度和时间以改变渗氮层性质和深度,探讨了这些因素对疲劳强度的影响,获得的主要结论如下:1)通过渗氮虽提高了疲劳强度,但其提高程度受渗氮温度和渗氮时间的影响很大。

也就是说,在不完全时效条件的480进行1h和5h渗氮时,能大幅度提高疲劳强度,但在过时效状态的570的渗氮温度下,疲劳强度提高不大。

2)处于不完全时效状态的渗氮材料,在短寿命区域发生表面破坏,而在长寿命区域则发生以内部夹杂物为起点的鱼眼破坏。

与此相关,S_N曲线变成了二级弯折曲线。

另一方面,在过时效状态下渗氮时,在整个寿命区域均发生表面破坏。

3)通过渗氮可提高疲劳强度,其主要原因是表面硬化和产生了压缩残留应力,而渗氮引起的原奥氏体的晶界裂纹则是其上升程度减少的原因。

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