QPQ鹽浴復合熱處理中滲氮溫度對4145鋼疲勞壽命的影響

摘 要：隨著鉆井深度的增加，鉆具服役工況越來越惡劣，鉆桿疲勞失效問題日漸突出。鉆桿的失效帶來嚴重的事故和巨大的經濟損失，故研究鉆桿的疲勞性能具有直接工程意義。文章研究了4145鋼在不同滲氮溫度下鹽浴復合處理（QPQ）后對其疲勞壽命的影響。按照數理統計方法對疲勞實驗結果進行分析處理，對比不同滲氮溫度工藝處理下的試樣和原始試樣的疲勞S-N曲線的差異。通過旋轉彎曲疲勞試驗表明，QPQ處理可顯著提高4145鋼的疲勞壽命。在580℃滲氮溫度下，其疲勞極限提高幅度最大，比未處理試樣提高約23.2%。利用掃描電子顯微鏡對疲勞試樣斷口進行分析，分析鹽浴熱處理提高4145鋼疲勞壽命的主要原因。

關鍵詞：P-S-N曲線；疲勞壽命；QPQ鹽浴處理；斷口分析

QPQ技術被廣泛應用于工程制造領域、機械和汽車工業，以增強材料的耐磨性、耐疲勞性和耐腐蝕性能。文章采用QPQ處理技術對4145鋼進行表面改性處理，重點探討不同滲氮溫度下QPQ復合處理對4145鋼的疲勞壽命的影響，獲得提高4145鋼疲勞壽命的最佳滲氮溫度[1]。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

文章所用的實驗試樣為軋制態某井下工具用鋼4145H，調質工藝為820℃雙液淬火+（600～630）℃高溫回火，試樣化學成分和機械性能如表1中所示。

試驗所用的旋轉疲勞試驗機為PQ-6旋轉彎曲疲勞試驗機，轉速為3000r/min。根據《金屬旋轉彎曲疲勞試驗方法》的規定，實驗在室溫下進行，對稱應力循環（R=-1）。

1.2 實驗方法

QPQ鹽浴處理工藝：

用1200目的砂紙將所有試樣表面預磨光整，并用丙酮或酒精清洗表面油污，擦拭干凈。將3組試樣放入350℃空氣爐中預熱25min，以防試樣入爐后鹽浴溫差變化過大，另一方面預熱后表面形成一層氧化膜，該膜有利于吸附氮原子促進滲氮過程。預氧化后將試樣按組分別放入520℃、550℃和580℃氮化鹽浴中保溫2h，最后將氮化處理過的試樣放入370℃氧化鹽浴中保溫30min。第4組試樣未處理，用作對比參考。處理后的試樣，用2%的硝酸酒精溶液腐蝕其斷面，用EVO/MA15（德國蔡司）掃描電子顯微鏡對實驗中的不同工藝參數處理下的疲勞試樣斷口進行分析。

2 實驗結果與討論

2.1 實驗結果

對未鹽浴處理的試樣進行旋轉彎曲疲勞實驗。試樣的抗拉強度為1100MPa，根據經驗公式σ=σb選擇第一次實驗的應力大小為550MPa，應力梯度為15MPa，然后根據上述實驗方法進行實驗。

計算各應力水平下對數疲勞壽命的平均值及標準差，將平均值結果作為數據點的X軸坐標值，對應應力值作為數據點Y軸坐標值，然后對該組數據進行線性擬合，得出應力-疲勞壽命曲線的Aav值為40.3187，Bav為-12.5370。同理將標準差結果作為數據點X軸坐標值，對應應力值作為數據點Y軸坐標值，線性擬合后得出Arms為1.5296，Brms為-0.5256。因此，對照公式（1）[2]，得出該4145鋼的概率應力-疲勞壽命曲線為：

由圖1可以看出，實驗得到535MPa越出數據兩個，550MPa越出數據三個，565MPa越出數據兩個，分別進行配對，得到七個對子。計算該組應力值的平均值和標準差，得出S-1，av=557.5MPa，S-1，rms=12.2475。根據公式（1）得出該4145鋼在任意存活率和置信度下的疲勞極限值如下式所示：

實驗研究可靠度為50%、90%和99%時材料的疲勞壽命的大小，即分別表明只有50%、10%和1%的試樣在達到預測的循環壽命次數前發生失效。將其對應的概率分布函數值分別帶入式（2）中，得出對應的疲勞極限值。同樣將概率分布函數值帶入式（1）中得到該4145鋼在中短壽命區的三條不同可靠度的S-N曲線表達式。已知計算出對應這三個存活率下的疲勞極限值（置信度為95%），以該極限值作為S-N曲線的拐點，將中短壽命區曲線與升降法得到的極限繪制在一張S-logN圖中，得出該4145鋼完整的S-N曲線，如圖1所示：

分析鹽浴熱處理滲氮溫度對4145鋼疲勞壽命的影響，將3組鹽浴處理試樣進行旋轉彎曲疲勞實驗，并分析得出3組疲勞S-N曲線及原始未進行鹽浴處理試樣的結果繪制在一張圖中，取存活率99%，如圖2所示：

由圖中看出，不同滲氮溫度試樣的疲勞性能發生了變化，經過旋轉彎曲疲勞試驗之后得到了不同的結果。存活率99%時4145鋼原始疲勞試樣的疲勞極限是497.66MPa，滲氮溫度520℃試樣的疲勞極限是571.25MPa，滲氮溫度550℃試樣的疲勞極限是587.98MPa，滲氮溫度580℃試樣的疲勞極限是613.25MPa。不同滲氮溫度的試樣疲勞極限較原始試樣均有明顯提高，其中580℃的疲勞極限較基體試樣提高23.2%。隨著滲氮溫度的提高，疲勞極限略有增高，其中滲氮溫度580℃的試樣提高較多。

2.2 疲勞試樣斷口分析

因為試樣的裂紋必然出現在表面缺陷最嚴重的位置，但經過QPQ處理，試樣整個表面都得到了強化，使得表面缺陷對裂紋擴展的敏感性趨于一致，表面形成的強化層和殘余壓應力對裂紋擴展起主要的作用[3]。經過鹽浴熱處理后，表面形成的強化層硬度較高，裂紋在此表面萌生，在承受交變應力時，表面強化層對裂紋擴展有抑制作用，裂紋源周對應區并不是試樣最終瞬斷區當試樣的有效承載面積不足以承受加載應力時，表面強化層脆性斷裂。

3 結論

（1）利用Basquin模型以及數理統計理論對中短壽命區成組法

實驗數據進行處理，得到材料的S-N曲線，將其與升降法得出的疲勞極限繪制在一張S-logN圖中，得出材料的完整概率疲勞壽命曲線。

（2）實驗得到不同滲氮溫度的S-N曲線。通過對比分析可以看出，QPQ鹽浴復合處理技術對試樣的疲勞壽命均有不同程度的提高。其中滲氮溫度為580℃的試樣提高的較為明顯。疲勞極限提高了23.2%。疲勞強度的提高主要是由于QPQ處理在金屬表面形成的復合滲層和表面殘余壓應力的作用。

（3）未處理原始試樣的裂紋源與表面缺陷處，疲勞源區一次疲勞溝線較為明顯，鹽浴熱處理試樣的裂紋源與次表面，看不到明顯的裂紋擴展。因此，裂紋擴展的方式和擴展速率有所變化，這是鹽浴熱處理提高疲勞性能的主要原因。

參考文獻

[1]李鶴林，李平全，馮耀榮.石油鉆柱失效分析及預防[M].北京：石油工業出版社，1999：4-12.

[2]萬里平，孟英峰，楊龍，等.鉆柱失效原因及預防措施[J].鉆采工藝，2006，29（1）：57-59.

[3]林元華，羅宏志，鄒波，等.鉆柱失效機理及其疲勞壽命預測研究[J].石油鉆采工藝，2004，26（1）：19-22.

[4]傅志強，潘宏偉，陳光志，等.40CrNiMo鋼齒輪軸斷裂原因分析[J].金屬熱處理，2011，36（S1）：376-378.