论文摘要：本文使用旋转弯曲疲劳实验方法研究了经过等离子渗氮处理的马氏体时效钢的超高周疲劳性能。实验结果表明，渗氮处理虽然提高了疲劳强度，但其提高程度受处理温度和时间的影响很大。等离子渗氮材在超过10 周次应力循环的超高周疲劳领域仍然发生疲劳破坏，但破坏机理明显不同于未处理材，也和其在短寿命领域不同，裂纹往往从材料内部萌生，呈现出典型的“鱼眼”破坏特征，且没有传统意义上的疲劳极限。
论文关键词：等离子渗氮,超高周疲劳,马氏体时效钢,内部破坏
0引言
近年来，航空航天、交通运输、核工业、机械等工业领域，许多工程材料和结构部件在工作过程中需要承受超过千万次的循环载荷。有关工程材料在 周次应力循环以上的超高周领域的疲劳行为研究己成为疲劳研究的一个新课题，引起了学者和工程界的高度重视。
为了评估表面改性对金属材料疲劳强度的影响,日本的研究者率先开展了超高周疲劳行为领域的研究。Naito等在1982年使用频率50Hz的旋转弯曲疲劳试验机对经过渗氮处理的Cr-Mo钢(JISSCM415H)进行了10次应力循环的疲劳实验[1]，实验得到的S—N曲线显示出两个弯折点,出现了疲劳极限消失的现象。此后,Masuda,Emura等在研究者对不同材料进行研究时也验证了同样的现象[2,3]。研究表明，高强度钢和表面改性钢在低于传统的疲劳极限的应力条件下，在超过10周次应力循环后依然会出现疲劳破坏行为，且与短寿命领域表现出呈现出明显的不同特征，其裂纹往往从材料内部的缺陷和夹杂物处萌生，S-N曲线呈现出阶梯型，没有明显的传统意义上的疲劳极限[4-7]。但因材料的种类，表面状态和环境等不同，材料的超高周疲劳行为有着显著的差异。王清远研究发现等离子渗氮处理可以显著提高麻时效钢的疲劳强度，但经过表面处理的高氮铬轴承钢的疲劳强度却下降约20%[8]。
与传统渗氮处理方法相比，等离子渗氮具有可以精确控制表面化合物层的有无及深度、表面光滑、能耗低、工艺过程简单且污染小等许多优点[9]。因此，目前等离子渗氮表面改性技术在国内外都得到了广泛的应用，其能有效提高金属材料的耐磨性，耐腐蚀性和疲劳性能等。但对经过等离子渗氮处理的金属材料在超高周疲劳破坏区域的疲劳特性，尤其是破坏机理目前尚不清楚。因此，本研究通过改变渗氮处理条件，使渗氮层组织和深度发生变化，探讨其在10周次应力循环以上区域的疲劳行为及破坏机理。
1材料与试验方法
本研究选取马氏体时效钢为研究对象，该材料是实用钢中强度最高且韧性较高的材料。其化学成分如表1所示，材料经过机械加工成如图1所示的疲劳实验用试件后，先对其表面进行电解抛光，然后再进行渗氮处理。渗氮处理时，试件先在真空环境中加热到设定温度，然后加入氢气和氨气的混合气体，通过混合气体的放电产生离子密度小且能量低的等离子体，同时在试件表面生成高活性自由基，实现对试件表面的渗氮处理。本研究中选取了三种处理条件，分别是：480℃1h和5h，570℃1h。后面相应标记为48N–1、48N–5和57N–1。渗氮材的硬度和残留应力的测定分别采用显微硬度计和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在室温、大气条件下进行。对所有疲劳断裂试件使用扫描式电子显微镜（SEM）对其断面进行了观察与分析。
表1马氏体时效钢的化学组成
Table1Chemicalcomposition(wt.%)
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C
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Si
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Mn
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P
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S
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Ni
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Mo
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Co
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Al
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Ti
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0.005
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0.03
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0.04
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0.002
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0.002
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18.69
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4.89
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8.92
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0.1
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0.91
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图1疲劳试验试样的形状和尺寸
Fig.1Shapeanddimensionsofspecimenforfatiguetest
2结果与讨论
图2是各种渗氮处理材料的表面组织。所有渗氮材的表面都能明显观察到化合物层，并且渗氮时间长或者温度高者渗氮层深。图3表示各种渗氮材料横断面的硬度分布。渗氮处理材料的表面硬度都得到大幅度提高，但硬化层深度受处理温度与时间影响不大，其中48N–5材的表面硬度最高且深度最深，其表面硬度可以提高到未处理材的接近一倍。所有材料均在距试件表面60μm到100μm左右的维氏硬度为630左右，这也是材料进行处理前的硬度值。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，且同硬度分布规律类似，在距表面大约80μm到100μm左右消失。
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(a) 48N - 1
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(b) 48N - 5
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(c) 57N - 1
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图2渗氮材的显微组织
Fig.2Surfacestateofnitridedspecimen
图3渗氮试样截面的硬度分布
Fig.3Hardnessdistributionsofnitridedspecimens
图4表示各种渗氮材料的S-N曲线。为了与渗氮材比较，图中也给出了和渗氮温度接近的480℃和570℃的时效材的S-N曲线，这也是通常采用的时效温度，并且2h和6h是此温度条件下疲劳强度较高的时效时间。结果表明渗氮处理显著改善了材料的疲劳强度，但其提高程度随载荷水平以及渗氮条件的不同而明显不同。此外，对于48N–1材和48N–5材，在高应力条件下发生表面破坏，而在低应力条件下材料依然会发生疲劳破坏，且裂纹从材料内部发生，图中用“／”表示以示区别。它们的S-N曲线形状呈现阶梯型，没有观察到明显的传统意义的疲劳极限。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，这些抑制了表面裂纹的萌生。
另一方面，对于57N–1材料，即使超过10周次应力循环，也和时效材一样破坏均起源于表面，S-N曲线也是随着应力降低疲劳寿命增大的通常形状，没有出现阶梯，关于更长寿命区域情况的破坏机理尚须进一步研究。 1/2 1 2 下一页 尾页 |
