几种钎钢材料的冲击疲劳性能

作者简介：程巨强（1963—），男，陕西歧山人，博士，教授，主要从事高强度钢铁材料及耐磨材料的研究、开发与应用工作。

0前言

实际应用中，许多零件或构件承受多次冲击载荷的作用而失效，如凿岩设备中的钎杆、钎头，锻造设备中的锤杆和锻模等的失效，与多次冲击疲劳有密切的关系，对于承受冲击载荷的材料，多次冲击疲劳性能是表征其性能的主要指标之一。长期以来，人们对多次冲击疲劳试验的评价和研究存在着较大的分歧[1]，认为在冲击能量较低时多次冲击疲劳可以用疲劳试验替代，在冲击能量较高时可以用一次冲击试验替代，但是，由于多次冲击疲劳破坏机理和一次冲击破坏机理及疲劳破坏机理不同，用一次冲击或疲劳试验结果表征材料的多次冲击疲劳性能存在一定的局限性。本文研究了40Cr 、

30CrNi4Mo 和新型贝氏体钢的多次冲击疲劳性

能，为几种材料钢的应用提供试验依据。

1试验材料及其试验过程

试验材料为40Cr 钢，直径准40mm ；

30CrNi4Mo 钢，直径为30mm ，棒料。贝氏体钢用500kg 电炉炼钢、模铸、退火、锻造成直径为准48mm 的棒料。多次冲击疲劳试验在DSWO-150冲击试样机上进行，冲击能量为

12.5kg ·mm ，加载频率为450周/min 。试验时

缺口两侧预先抛光，试验过程用分辨率为

0.001mm 的工具显微镜观察每隔一定冲击次数时的裂纹长度a ，并以试样两侧裂纹平均长度a =0.02+0.001mm 时的冲击次数值作为

冲击疲劳裂纹形成寿命N 0.02，被冲断时的N 值定为冲击疲劳总寿命N f ，冲击疲劳裂纹扩展寿命为N p =N f -N 0.02用NEOPHOT3型光学显微镜（OM ）观察疲劳裂纹扩展形貌，腐蚀液为4%的硝酸酒精溶液。用Amaray-1000B 型扫描电子显微镜观察冲击疲劳断口形貌。

2试验结果及其分析

2.1不同热处理状态多次冲击疲劳试验结果

几种钎钢材料的冲击疲劳性能

程巨强，刘志学，王元辉

（西安工业大学材料与化工学院，陕西西安710032）

摘要：通过冲击疲劳试验，研究了几种材料不同热处理的冲击疲劳性能。结果表明，40Cr 正火高温回火热处理的冲击疲劳寿命高于淬火低温回火和正火低温回火的冲击疲劳寿命。30CrNi4Mo 钢正火低温回火的冲击疲劳裂纹形成寿命高于淬火低温回火和淬火高温回火的冲击疲劳裂纹形成寿命，淬火高温回火的冲击疲劳总寿命高于正火及淬火低温回火热处理的冲击疲劳寿命。新型贝氏体钢正火低温回火热处理的冲击疲劳寿命高于淬火低温回火热处理的冲击疲劳寿命。文中分析了多次冲击疲劳裂纹扩展的行为及不同热处理工艺下冲击疲劳寿命提高的原因。

关键词：40Cr ；30CrNi4Mo ；新型贝氏体钢；多次冲击疲劳中图分类号：TG115.5+6

文献标识码：B

表1几种材料不同热处理状态多次冲击疲劳试验结果

表1是几种试验材料在不同热处理状态下多次冲击疲劳试验结果。可以看出，40Cr 空冷、低温回火的N 0.02和油淬的相等而高于正火高温回火的裂纹形成寿命。正火低温回火的

N f 及N P 均高于正火高温回火和淬火低温回火的数值。数据表明，40Cr 淬火低温回火具有很

高的强度（δb 为1938MPa ，δ为655.9%，ψ为

24.3%，A KU 为22.3J ，HRC51.7），但塑性和冲

击韧度值较低，冲击疲劳裂纹一旦形成，极短的时间内产生断裂，冲击裂纹扩展寿命很短，40Cr 正火低温回火和正火高温回火相比，强度较高，不易产生裂纹，因此形成裂纹的冲击疲劳寿命较高，同时材料的组织具有较高的塑性，裂纹在扩展过程组织容易发生塑性变形，延缓疲劳裂纹的扩展，因此疲劳总寿命提高。

材料及其热处理

裂纹起始寿命N 0.02

裂纹扩展寿命N p

总寿命N f

30CrNi4Mo

860℃正火200℃回火

250047057205860℃油冷200℃回火180052907090850℃油冷570℃回火16006655825540Cr

850℃正火520℃回火

100044005400850℃正火200℃回火120038475407850℃油冷200℃回火12003941594新型贝氏体钢

920℃水冷300℃回火

140047206120900℃正火300℃回火190055867486900℃油冷300℃回火

3000

3265

6265

30CrNi4Mo 钢空冷、低温回火的N 0.02高

于油冷低温回火和油冷高温回火处理的

N 0.02，油冷高温回火的N f 及N p 均高于正火低

温回火和油冷低温回火的值。分析正火低温回火裂纹形成寿命较高的原因，是由于正火处理后组织中有较多的残余奥氏体，低温回火可以提高奥氏体的机械稳定性和热稳定性[2]，在冲击疲劳过程中，稳定的残余奥氏体存在可以发生塑性变形消耗能量，会使裂纹尖端钝化，增加裂纹扩展阻力[3，4]，在较大的载荷作用下奥氏体会诱发马氏体转变，产生相变诱发塑性效应，提高材料的形变抗力，阻碍裂纹的产生，因此对于试验材料，空冷低温回火处理和淬火低温回火可以提高钢的裂纹形成寿命。油冷高温回火

30CrNi4Mo 钢冲击疲劳总寿命较高的原因，

与其组织呈现细小的索氏体组织，疲劳裂纹在扩展过程中，受到弥散分布的碳化物的阻碍，容易使疲劳裂纹出现分岔或弯曲，延缓裂纹的扩展，提高了疲劳寿命。

新型贝氏体钢空冷、低温回火的N 0.02

和N f 及N p 均高于淬火回火的寿命，而且，随着冷却速度的提高，一定的冲击次数下，冷却速度较大，材料疲劳裂纹扩展长度越大，疲劳裂纹总寿命减小。分析空冷低温回火贝氏体钢冲击疲劳寿命提高的原因，与其不同冷却状态的组织状态有关，空冷低温回火冷却速度相对较慢，加之合金化时较高的硅量和锰量，空冷后组织中存在残余奥氏体，空冷低温回火处理可以提高钢