探究钢铁材料复合强化的可行性分析

2016-12-08赵宝宝张晓燕

中国新技术新产品 2016年21期

关键词：抗力马氏体淬火

赵宝宝张晓燕

（西京学院，陕西西安 710123）

探究钢铁材料复合强化的可行性分析

赵宝宝张晓燕

（西京学院，陕西西安 710123）

强化钢铁材料的方法种类很多，复合强化也在逐渐采用，复合强化是指综合应用合金化、相变强化及形变强化等手段，以达到充分发挥钢铁材料疲劳强度潜力的目的。目前针对复合强化的研究，对于充分发挥钢铁材料的疲劳强度潜力理论方面还远远不够。本文就通过以复合强化途径来探究如何发挥钢铁材料的疲劳强度潜力来进行分析。

钢铁材料；相变强化；形变强化；疲劳强度；途径分析

一、马氏体相变强化与形变强化的机理分析

经查阅，钢铁材料在经喷丸、滚压等过程强化后，其材料性质发生如下的物理——力学性能的变化。钢铁材料经滚压过程后表面光洁度显著增强（ΔV），比如40CrNiM0钢淬火+低温回火状态，其滚压后表明光洁度可达到Δ9-11。而喷丸过程则会使其表面光洁度减弱，表面硬度增强（ΔHV）。其表面滚压后形变硬化层中的精细结构也发生很大变化（即位错密度（ρ）增强，嵌镶块尺寸（D）显著变小，淬火态的

研究表明，钢铁材料的淬火后马氏体形态与其他淬火后再回火组织状态相比较，表面经滚压形变硬化强化后，具有更高的ΔHV（图2），б-，ΔV。

因此利用钢铁材料马氏体相变强化与形变强化的复合强化是提高疲劳强度极限的有效途径之一。

图1　马氏体电镜下的形状

图2　硬度增加与钢的组织状态的关系

二、钢铁材料复合强化提高疲劳疲劳强度的力学分析

经查阅资料，在材料疲劳失效抗力考量外，还要考虑比如裂纹孕育期寿命N0、裂纹扩展期的寿命NP、疲劳裂纹扩展门坎值（ΔKth）、裂纹扩展速率da/dN以及极限裂纹深度a0等表征参量。其表达式为：

对缺口试样的疲劳总寿命为

从表达式中我们可以明显看出，N0增大，da/dN减小，ac增长，材料的总疲劳寿命Nf才最长。研究表明，针对中碳合金钢经过整块淬火后即刻低温回火到马氏体状态具有高的强度较低的塑性、韧性相配合，只能够显著提升б-1、б-1H、N0，但针对ΔKth较小、da/dN较大，则不能整体兼顾增强疲劳失效抗力的表征参数。从公式（1）～（7）可以看出，对淬火后马氏体状态如果再进行表面形变强化，当表面引入高的б-，例如淬火+低温回火的40CrNiM0，其表面进行滚压过程处理后，表面的б-可达到-220kg/mm2，使得ΔK和R大大降低，进而使ΔKth升高，da/dN减小，再加上ΔHV及ΔV的升高N0也会升高，б-1，б-1H也显著增大，已知极限裂纹深度（a0）主要取决于材料的塑性、韧性。如果在循环载荷下想要材料具有较大的极限裂纹深度（a0）和较大的裂纹失稳抗力（循环断裂韧性kf0），则可以将表面进行热处理（表面感应加热淬火+表面化学热处理）零件心部具有较高塑性、韧性的材料，进而再进行表面形变强化。

通过以上分析可见，钢铁材料相变强化和形变强化是全面提升钢铁材料疲劳失效抗力表征参量的有效途径。

三、为了达到材料等强度设计目的，将零件薄弱环节进行局部形变强化

实际生产中，很多零件为了满足实际使用要求，则必须带有缺口，而对于带有缺口、又承受比较大变载荷的工件，由于缺口处的度应力高度集中，很可能产生足以使原整个零件所承受的较低应力、高周次疲劳载荷在那个局部改变成高应变塑性疲劳载荷。从材料强度的角度分析，针对以上状况，生产中常用较大的塑性、较低强度的热处理手段工艺来解决这种问题。通过实际研究认为，以高强度钢利用局部形变强化的方GCr15钢经表面滚压过程后，其ρ值变大约3倍，D值缩小约3倍。材料表面滚压过程强化使渗碳、淬火态钢中的残余奥氏体立即产生马氏体相变（Φ）（图1），残余奥氏体含量降低，电镜下观察到马氏体针正在碎化，物理量（ρ，D，Φ）参数的变化综合地反映出表面硬度ΔHV的增强。此外，钢铁材料表面形变强化在其表层产生了有利的残余压应力（б-）。所以，钢铁材料的疲劳强度提高（Δбw）与参量变化有关，并可定性地用下列函数关系来表达。法来解决零件的薄弱环节容易损坏的问题，使得薄弱部位塑性应变大幅度减小，甚至消除，另外引入有利残余压应力，以提高局部有效承载能力，使得零件各个部位都接近疲劳强度，从而进行等强度理论设计。实验表明，采用后一种工艺方法更加积极有效。

对零件进行表面滚压形变强化的工艺是实际生产中经常使用的强化工艺，以前一般更多地采用在钢的正火和调质状态。对于高强度钢，表面进行化学热处理之后，高硬度零件再经过表面滚压强化的工艺研究，早在20世纪末就引起了学者关注。因此，本文侧重对钢铁材料复合强化在理论上进行研究与分析。关于复合强化手段对高强度的钢疲劳强度影响规律和复合强化在具体零件中的实际应用，下一步我们进行试验与研究，本文不再作专门论述。