热处理对提高疲劳强度与修复疲劳裂纹的影响

付 杰，董炎锋，付广柱

(中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221000)

零部件的疲劳问题一直以来都是受到重视的问题，有数据表明零部件的失效绝大多数是由于疲劳破坏引起的［1］，而且疲劳破坏时零部件几乎无征兆，因此重大事故很容易在产生疲劳破坏时发生。热处理能够优化材料结构，使其疲劳强度提高，并且可以修复疲劳裂纹，从而可以提高零部件的使用寿命。针对零件越来越高的使用要求，通过热处理提高材料的疲劳强度更显重要。

1 材料疲劳裂纹的萌生

疲劳裂纹最先开始的地方称为疲劳源，疲劳源对于材料的微观结构组织很敏感，能在很小的尺度下萌生疲劳裂纹，一般在3～5个晶粒尺寸内［2］。零件的表面质量问题是主要的疲劳源，大部分的疲劳始于零件表面或者亚表面。模具在使用过程中如果能及时修复磨损表面，减小疲劳源，能有效提高模具的使用寿命［3］。晶体内部存在的大量位错和一些合金元素或杂质，晶界强度差异，这些因素都有可能导致疲劳裂纹萌生。研究表明，疲劳裂纹易发位置有:驻留滑移带(PSBs)、晶界、表面夹杂物或者第二相颗粒、空洞［2］。这些位置都与材料复杂多变的微观组织有关。如果在热处理后能够改善微观组织，那么就能在一定程度上提高材料的疲劳强度。

2 热处理对材料疲劳强度的影响

初始疲劳裂纹的产生是由材料的微观组织缺陷导致应力集中引起的。热处理是一种优化材料组织的方法，能在一定程度上提高材料的疲劳性能，提高产品的寿命。从长远看能够节约资源，符合可持续发展战略。

2.1 脱碳对疲劳强度的影响

不当的热处理并不能增强材料的疲劳强度，有时甚至会降低强度。脱碳是热处理中常见的问题，章安辉等［4］在分析弹簧钩断裂失效时得出结论，由于不当的热处理方式，使得工件表面脱碳和表面质量下降，从而使其疲劳强度降低。高学敏等［5］在分析42CrMoA钢制造的连杆断裂失效原因时，发现也是因为存在脱碳层。有研究表明［6］渗碳体(Fe3C)在高温下能与 O2、H2O、H2发生反应导致材料内部Fe3C减少，从而增加了材料的铁素体相，降低材料强度，容易引发微裂纹。在热处理过程中控制好加热温度，同时采用真空热处理能够很好地解决这一问题。

2.2 热处理对不同形状和用途零件疲劳强度的影响

不同形状、不同用途的零件应根据需要进行不同的热处理。胡建军等［7］对螺栓疲劳强度进行了分析，发现提高螺栓静载荷承受能力可通过提高硬度来实现，而疲劳强度的提高并不能通过提高硬度的方法。因为螺栓会引起较大的应力集中，对于没有应力集中的样品提高硬度是能提高其疲劳强度的。

硬度能反应金属材料局部的强度大小，材料表面的应力集中会降低其表面强度，在受到交变的动载荷时，在应力集中部位不断发生微变形和恢复的过程，而且其受到的应力远远大于无应力集中的部位，从而容易导致疲劳裂纹的产生。

2.3 组织结构的改善和表面处理对疲劳强度的影响

苏大任［8］研究了球墨铸铁柴油机曲轴的疲劳强度，通过正火和等温淬火使得球墨铸铁的内部组织得到调整，表面热处理改善了材料的表面质量，提高球墨铸铁的疲劳强度。疲劳裂纹是在位错运动中产生的，材料组织结构的调整，晶粒的细化都能有效阻止位错运动。

段启强等［9］在研究多晶铜的驻留滑移带时，发现驻留滑移带的滑移会受到大角度晶界的阻碍，它们之间发生着交互作用，驻留滑移带在滑移过程中不断撞击晶界和孪晶界，容易在晶界处产生较大的正应力，从而导致疲劳裂纹的产生，并且裂纹沿着晶界和穿过晶体扩展。但是裂纹在晶界处萌生，需在较长距离的滑移才能产生［10］。因此热处理，细化晶粒，缩短晶界距离能阻止疲劳裂纹的产生;在材料内部如果存在一定量的晶须或第二项颗粒，这些加入的相便可以在一定程度上阻止驻留滑移带的滑移，从而阻止了微观裂纹的萌生和扩展。

2.4 材料组织的协调性能对疲劳强度的影响

赖运金等［11］研究了高周疲劳下的 TA15钛合金，通过不同的热处理制度获得了具有不同含量的初生α相的钛合金，高含量的初生α相其疲劳性能较好。由于初生α相的相互协调性好，在变形过程中该相能够随着与之相接处的组织变形而变形，难以产生组织缺陷，故不易产生微裂纹。因此通过热处理提高具有良好协调性能组织的含量可以提高材料的疲劳性能。合理控制晶粒尺寸也能获得良好的相互协调性［11－12］。

3 热处理对材料疲劳裂纹的修复

有研究表面，塑性变形能够减少疲劳裂纹的生长率，这与裂纹尖端的残余压力有关［13］，这虽然在一定程度上能够延长材料的使用寿命，但是这也难以满足高寿命的要求。对于已产生疲劳裂纹的零件进行裂纹修复，热处理修复能使其使用寿命成倍增长。近几年来越来越多的研究者在从事裂纹修复的研究，其中疲劳裂纹的修复占据了很重要的地位。高密度位错的驻留滑移带是应力集中的多发地带，由于晶界、孪晶界与驻留滑移带之间发生的交互作用使得滞留滑移带成为疲劳裂纹的主要萌生点。李明扬、朱荣等［14－15］研究了单晶体铜在疲劳过程中形成的滞留滑移带在退火下会逐渐消失。这一发现有利于通过热处理来修复材料的疲劳。近10年来，许多研究者在从事裂纹的修复这项研究中得出的一个共同点，就是通过热处理来修复裂纹是最有效的、最经济的途径。目前普遍认同的裂纹修复模型是原子扩散模型，而在钢的裂纹修复中，充当扩散主角的是Fe和 Cr两种原子［16］。

通过热处理修复裂纹进行的过程中，涉及到许多影响裂纹修复的因素，包括热处理温度、保温时间、热处理气氛、化学成分［17］等。沈阳大学郭廷良［18］采用回火方式对产生疲劳的45号钢进行疲劳修复(在疲劳寿命的40%左右进行修复，处于裂纹萌生寿命内)，提出了回火温度具有“阈值”性，要使45号钢累积疲劳寿命达到最高，只有在回火温度与“阈值”相符合时才能达到。北京科技大学韦东斌［19］在研究金属材料内部裂纹愈合规律中，通过热处理分别对亚共析钢、过共析钢等预制了裂纹的金属材料进行了裂纹愈合研究，热处理温度皆处于再结晶温度左右，且热处理后试件的裂纹都出现了修复的趋势。笔者认为，热处理温度是影响疲劳裂纹修复的关键因素，在材料处于裂纹萌生寿命以内，采用温度低于A1的回火，可以恢复原有的疲劳性能。当裂纹进入扩展阶段，此时采用回火对裂纹修复的影响不大，应采用退火来修复，退火温度应处于金属再结晶温度左右，这一修复过程与再结晶有关。

材料内部产生微观裂纹后，通过热处理修复后的修复组织与基体组织存在一定的差异［17，19］。在修复组织中原先连续的裂纹处存在一系列细小的孔洞［19］，这些孔洞能成为新的内部应力集中点而降低疲劳性能。笔者认为修复组织与基体组织差异的存在决定了疲劳裂纹只能进行有限次的修复。

4 结论

1)疲劳裂纹总是萌生于材料中最薄弱的部分，零件因为表面或次表面的缺陷容易产生裂纹，材料内部裂纹容易产生于驻留滑移带、晶界、表面夹杂物或者第二相颗粒、空洞处，因为这些位置容易导致应力集中。

2)热处理对材料疲劳强度的影响较大，在热处理过程中，要根据材料的使用性能来具体确定热处理工艺。热处理中降低材料疲劳性能的常见问题是脱碳，采用真空热处理是很好的解决方法。细化晶粒、增加晶须或第二相颗粒来阻碍位错运动和通过热处理提高良好协调性组织的含量可以提高材料的疲劳性能。

3)热处理是修复疲劳裂纹的有效途径，裂纹的修复目前普遍接受的模型是原子扩散模型。裂纹萌生寿命以内的微小疲劳裂纹，选择适当的温度回火有助于修复其疲劳损伤而提高疲劳寿命。当裂纹进入扩展阶段，此时需采用更高温度的退火来进行修复，这一修复与再结晶过程有关。因为修复组织与基体组织存在差异，疲劳裂纹只能进行有限次的修复。

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