| 其主要原因是由于570℃下材料处于过时效状态，裂纹发生虽受到了表面硬化层的抑制，但此温度条件下会析出逆相变奥氏体[10,11]，同时渗氮材料表面生成了氮化物，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。因此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，从而导致寿命缩短。可以看出，渗氮处理一方面可以改善材料的疲劳强度，提高疲劳寿命，但同时如果渗氮温度过高或时间过长，则有可能出现疲劳寿命反而缩短的现象。因此，根据实际需求综合考虑渗氮处理的条件具有重要的实际意义。
 
图5各种材料的S-N曲线
Fig.5S-Ncurve
断口分析发现，对于渗氮材存在两种裂纹萌生机制：一是未处理的时效材和渗氮材料的低周疲劳阶段，裂纹起源于材料的表面。另一个是渗氮材料在低应力区域，破坏往往从材料内部的夹杂物萌生。需要注意的是，渗氮处理温度过高或时间过长即使在超高周疲劳裂纹依然起源于试样表面。图6给出了一些典型的表面破坏和内部破坏的断口电镜图，内部破坏的断面呈现出高强度钢特有的“鱼眼”形貌。由图片可以看到，在鱼眼边缘，能观察
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(a) 时效钢 (σ＝650MPa N =7.13 10 cycles)
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(b) 渗氮钢 (σ＝1150MPa N =3.5710 cycles)
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(c) 渗氮钢 (σ＝700MPa N =1.3510 cycles)
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(d) 渗氮钢 (σ＝1050MPa N =3.0410 cycles)
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图6时效材和渗氮材(48N-1)的断面形貌
Fig.6Fracturesurfaceofagedsteelandnitridedsteel
到凹凸不平的严重的原奥氏体晶界裂纹，而且在其周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。
高强度钢长寿命区域发生内部破坏时，在鱼眼起点部位往往观察到粒状断裂面，而且寿命愈长，其范围愈大[12,13]。图7是以48N-1材为例表示鱼眼起点部位的放大照片，同样起点部位周围也能观察到粒状断裂面，且超长寿命者此范围较大。
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(a) σ =700 MPa
N = 1.35 x 10 cycles
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(b) σ =1050 MPa
N = 3.04 x 10 cycles
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图7渗氮材（48N-1）裂纹起源点的高倍率电镜图
Fig.7Centeroffish-eyeofnitridedsteels(48N-1)
3结论
本文采用等离子渗氮处理来改善马氏体时效钢静强度虽然很高，但疲劳强度相对较低这一问题。通过改变渗氮温度和时间以改变渗氮层性质和深度，探讨了这些因素对材料的疲劳强度，尤其在超高周疲劳行为的影响。结果表明，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℃下进行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℃渗氮温度下，疲劳强度提高不大。对于渗氮材料48N-1和48N-5，存在两种裂
纹萌生方式，一是在短寿命领域裂纹起源于表面，一是在超高周疲劳阶段时，裂纹则从材料内部的夹
杂物处萌生，呈现出典型的“鱼眼”破坏形貌。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抑制了裂纹的萌生，但内部萌生机理还有待研究。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。
致谢本项目部分内容获得湖北省水电机械设备设计与维护重点实验室基金资助。
参考文献
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10 森山三千彦,高木节雄,皮笼石纪雄. 材料,2001,
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12 周承恩,洪友士等.超高周疲劳研究现状及展望. 机械强度,2004,6(5):526 -533. 2/2 首页 上一页 1 2 |
