渗氮条件对马氏体时效钢疲劳强度的影响

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)%C

Si

Mn

P

S

Ni

Mo

Co Al Ti 0.0050.03

0.040.0020.00218.69 4.89

8.92

0.1

0.91

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