探究鋼鐵材料復合強化的可行性分析

趙寶寶 張曉燕

（西京學院，陜西 西安 710123）

探究鋼鐵材料復合強化的可行性分析

趙寶寶 張曉燕

（西京學院，陜西 西安 710123）

強化鋼鐵材料的方法種類很多，復合強化也在逐漸采用，復合強化是指綜合應用合金化、相變強化及形變強化等手段，以達到充分發揮鋼鐵材料疲勞強度潛力的目的。目前針對復合強化的研究，對于充分發揮鋼鐵材料的疲勞強度潛力理論方面還遠遠不夠。本文就通過以復合強化途徑來探究如何發揮鋼鐵材料的疲勞強度潛力來進行分析。

鋼鐵材料；相變強化；形變強化；疲勞強度；途徑分析

一、馬氏體相變強化與形變強化的機理分析

經查閱，鋼鐵材料在經噴丸、滾壓等過程強化后，其材料性質發生如下的物理——力學性能的變化。鋼鐵材料經滾壓過程后表面光潔度顯著增強（ΔV），比如40CrNiM0鋼淬火+低溫回火狀態，其滾壓后表明光潔度可達到Δ9-11。而噴丸過程則會使其表面光潔度減弱，表面硬度增強（ΔHV）。其表面滾壓后形變硬化層中的精細結構也發生很大變化（即位錯密度（ρ）增強，嵌鑲塊尺寸（D）顯著變小，淬火態的

研究表明，鋼鐵材料的淬火后馬氏體形態與其他淬火后再回火組織狀態相比較，表面經滾壓形變硬化強化后，具有更高的ΔHV（圖2），б-，ΔV。

因此利用鋼鐵材料馬氏體相變強化與形變強化的復合強化是提高疲勞強度極限的有效途徑之一。

圖1　馬氏體電鏡下的形狀

圖2　硬度增加與鋼的組織狀態的關系

二、鋼鐵材料復合強化提高疲勞疲勞強度的力學分析

經查閱資料，在材料疲勞失效抗力考量外，還要考慮比如裂紋孕育期壽命N0、裂紋擴展期的壽命NP、疲勞裂紋擴展門坎值（ΔKth）、裂紋擴展速率da/dN以及極限裂紋深度a0等表征參量。其表達式為：

對缺口試樣的疲勞總壽命為

從表達式中我們可以明顯看出，N0增大，da/dN減小，ac增長，材料的總疲勞壽命Nf才最長。研究表明，針對中碳合金鋼經過整塊淬火后即刻低溫回火到馬氏體狀態具有高的強度較低的塑性、韌性相配合，只能夠顯著提升б-1、б-1H、N0，但針對ΔKth較小、da/dN較大，則不能整體兼顧增強疲勞失效抗力的表征參數。從公式（1）～（7）可以看出，對淬火后馬氏體狀態如果再進行表面形變強化，當表面引入高的б-，例如淬火+低溫回火的40CrNiM0，其表面進行滾壓過程處理后，表面的б-可達到-220kg/mm2，使得ΔK和R大大降低，進而使ΔKth升高，da/dN減小，再加上ΔHV及ΔV的升高N0也會升高，б-1，б-1H也顯著增大，已知極限裂紋深度（a0）主要取決于材料的塑性、韌性。如果在循環載荷下想要材料具有較大的極限裂紋深度（a0）和較大的裂紋失穩抗力（循環斷裂韌性kf0），則可以將表面進行熱處理（表面感應加熱淬火+表面化學熱處理）零件心部具有較高塑性、韌性的材料，進而再進行表面形變強化。

通過以上分析可見，鋼鐵材料相變強化和形變強化是全面提升鋼鐵材料疲勞失效抗力表征參量的有效途徑。

三、為了達到材料等強度設計目的，將零件薄弱環節進行局部形變強化

實際生產中，很多零件為了滿足實際使用要求，則必須帶有缺口，而對于帶有缺口、又承受比較大變載荷的工件，由于缺口處的度應力高度集中，很可能產生足以使原整個零件所承受的較低應力、高周次疲勞載荷在那個局部改變成高應變塑性疲勞載荷。從材料強度的角度分析，針對以上狀況，生產中常用較大的塑性、較低強度的熱處理手段工藝來解決這種問題。通過實際研究認為，以高強度鋼利用局部形變強化的方GCr15鋼經表面滾壓過程后，其ρ值變大約3倍，D值縮小約3倍。材料表面滾壓過程強化使滲碳、淬火態鋼中的殘余奧氏體立即產生馬氏體相變（Φ）（圖1），殘余奧氏體含量降低，電鏡下觀察到馬氏體針正在碎化，物理量（ρ，D，Φ）參數的變化綜合地反映出表面硬度ΔHV的增強。此外，鋼鐵材料表面形變強化在其表層產生了有利的殘余壓應力（б-）。所以，鋼鐵材料的疲勞強度提高（Δбw）與參量變化有關，并可定性地用下列函數關系來表達。法來解決零件的薄弱環節容易損壞的問題，使得薄弱部位塑性應變大幅度減小，甚至消除，另外引入有利殘余壓應力，以提高局部有效承載能力，使得零件各個部位都接近疲勞強度，從而進行等強度理論設計。實驗表明，采用后一種工藝方法更加積極有效。

對零件進行表面滾壓形變強化的工藝是實際生產中經常使用的強化工藝，以前一般更多地采用在鋼的正火和調質狀態。對于高強度鋼，表面進行化學熱處理之后，高硬度零件再經過表面滾壓強化的工藝研究，早在20世紀末就引起了學者關注。因此，本文側重對鋼鐵材料復合強化在理論上進行研究與分析。關于復合強化手段對高強度的鋼疲勞強度影響規律和復合強化在具體零件中的實際應用，下一步我們進行試驗與研究，本文不再作專門論述。

四、分析結果

1.鋼鐵材料利用復合強化手段提高疲勞強度極限是有效途徑。

2.零件局部滾壓強化引入有利的殘余壓應力達到各部位疲勞強度等強度設計是一種更為積極有效的方法。

[1]陳傳堯.疲勞與斷裂[D].華中科技大學，2005.

[2]張曉敏，萬玲，嚴波，等.斷裂力學[M].北京：清華大學出版社，2012.

[3]肖宏濱，邵爾玉.表面復合強化對疲勞性能影響[J].中國表面工程，1999（2）：11-14.

[4]王生武，溫愛玲，邴世君，等.滾壓強化的殘余應力的數值仿真及工藝分析[J].計算力學學報，2008，25（s1）：113-118.

[5]劉香茹，周旭東，周航.45鋼帶槽軸溫塑性滾壓強化的數值模擬[J].河南科技大學學報，2010，31（3）：1-7.

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