典型表面工藝強化對材料強度特性的影響

盧 曦， 徐 艷

（上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093）

工藝強化是提高材料硬度、耐磨性、耐腐蝕性和抗高溫氧化性的有效措施，很早以前就被人們認(rèn)識并廣泛應(yīng)用于機械工業(yè)中.工藝強化的方法有很多，主要分為表面熱處理、表面化學(xué)處理和表面冷作強化［1］.根據(jù)各種工藝處理的特點及材料不同的成分，各種汽車零件采取的工藝處理方式也不同.表面熱處理包括火焰淬火和感應(yīng)淬火.中頻淬火是比較典型的表面熱處理，適用于鉆桿、花鍵軸、汽車后橋、曲軸和齒輪等零件，通過硬化層相對厚度影響光滑鋼試件疲勞強度的相對增量.表面化學(xué)熱處理包括滲氮、滲碳和氰化.氰化即碳氮共滲，是在510～570℃下在氰化鈉和氰化鉀的浴鹽中進(jìn)行，適用于低質(zhì)量鋼，由于所需時間短成本低，因此在工程上也得到廣泛應(yīng)用.表面冷作強化包括噴丸、滾壓、錘擊等，通過在表面引入殘余應(yīng)力使疲勞強度提高.一直以來，以趙少汴等［1］實驗提出的一系列方法和以圖表為準(zhǔn)預(yù)測熱處理后材料的強度特性.但是這種方法預(yù)測準(zhǔn)確性如何及工藝強化后材料的強度特性到底變化多少，還需進(jìn)一步深入的研究.本文選取具有代表性傳遞動力的傳動軸標(biāo)準(zhǔn)試樣和實際汽車零件作為研究對象，選擇中頻淬火和氰化兩種比較典型的熱處理方法，研究工藝處理后材料強度特性的變化.

1 材料與方法

傳動軸標(biāo)準(zhǔn)試樣材料為國產(chǎn)40Cr材料，根據(jù)GB12443－90金屬扭轉(zhuǎn)應(yīng)力疲勞試驗方法進(jìn)行選擇和加工.試樣熱處理為中頻淬火加回火，熱處理后表面硬度52～58 HRC，心部硬度≤30 HRC，試樣硬化層深度最小1.9mm（最小直徑為12mm）.

汽車零件選取某轎車變速器齒輪，齒輪材料為20 MnCr5，模數(shù)2.3mm，齒數(shù)20，壓力角17.5°，變位量1.5mm.表面采用碳氮共滲工藝強化，滲層深度0.5mm.齒面硬度為58～62 HRC，心部硬度為40HRC.兩種材料化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω 如表1所示.材料靜強度σb、屈服強度σs、伸長率δ5及斷面收縮率ψ 等機械性能如表2所示.其中＊為淬火后低溫回火疲勞極限值.40Cr的扭轉(zhuǎn)疲勞極限τ－1與彎曲疲勞極限σ－1比值約0.58［1］.

表1 材料的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of materials %

表2 材料的機械性能Tab.2 Mechanical propertiesofmaterials

試驗包括靜強度試驗和疲勞試驗.在NZ－1000JN－100扭轉(zhuǎn)試驗機上對40Cr試樣采取靜扭斷方式，試驗3個試樣測定抗扭靜強度值.具體方法是不斷增加載荷級數(shù)，直至試樣被扭斷，記錄下試樣扭斷時對應(yīng)的扭矩M，可得相應(yīng)的靜扭強度σb.做3組試驗取平均，得到Mm，σbm.如記錄數(shù)值接近，停止試驗，否則再作一組.在RoellAmsler HFP 100型高頻疲勞試驗機上對齒輪材料采取靜壓斷方法，試驗3個齒測定單齒斷裂載荷F.具體方法與40Cr材料靜強度測定方法相同.

40Cr標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞試驗在日本鷺宮TT08扭轉(zhuǎn)疲勞試驗機上完成，采用非對稱循環(huán)（循環(huán)比r＝0.1）正弦波加載.利用兩個精確的點確定出位于中壽命段的S－N 曲線.選取高低兩級載荷進(jìn)行疲勞壽命試驗，小載荷幅值Fa1為135.45N·m，均值Fm1為165.55N·m；大載荷幅值Fa2為151.2 Nm，均值Fm2為184.8Nm.每組試驗2～4個試樣直到斷裂，測得斷裂循環(huán)數(shù)N.齒輪材料疲勞試驗仍在RoellAmsler HFP 100型高頻疲勞試驗機上完成.試驗加載頻率為74Hz，循環(huán)比r＝0.11.選取適當(dāng)應(yīng)力σ對齒輪靜壓直到斷裂.所有齒輪疲勞試驗都以齒輪斷裂或加載頻率下降5Hz作為齒輪失效判據(jù)，將失效時的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)No作為單齒彎曲疲勞壽命.當(dāng)No超過300萬次后停止，認(rèn)為該應(yīng)力下齒輪不發(fā)生疲勞破壞.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 靜強度

兩種材料的靜扭試驗結(jié)果分別如表3、表4所示.

表3 40Cr靜強度試驗結(jié)果Tab.3 Test results of static strength of 40Cr

表4 20MnCr5材料靜強度試驗結(jié)果Tab.4 Test results of static strength of 20MnCr5

熱處理前，根據(jù)扭轉(zhuǎn)強度和抗拉強度關(guān)系可得40Cr材料扭轉(zhuǎn)強度τb約為517 MPa.經(jīng)中頻淬火后強度提高系數(shù)為1.9［1］，可預(yù)測熱處理后抗拉強度σb約 為1 786 MPa，估 算 扭 轉(zhuǎn) 強 度τb值 為982 MPa.根據(jù)硬化層深度和熱處理條件查得齒輪材料熱處理后抗拉強度值為1 847 MPa.

對比預(yù)測值和試驗值可發(fā)現(xiàn)，預(yù)測的40Cr材料扭轉(zhuǎn)靜強度誤差為56.5%，齒輪材料靜強度誤差為23.4%.說明采取查圖表和熱處理系數(shù)法預(yù)測熱處理后材料靜強度存在問題，需采用另一種比較準(zhǔn)確的方法來預(yù)測.

從硬度方面考慮，根據(jù)硬度強度對應(yīng)關(guān)系可以預(yù)測材料靜強度.40Cr材料熱處理后最大抗拉強度為1 800 MPa，扭轉(zhuǎn)強度為990 MPa.20 MnCr5材料最大抗拉強度為2 305 MPa.

對比齒輪材料預(yù)測值和試驗值，誤差僅為1.1%，說明通過硬度強度轉(zhuǎn)化關(guān)系預(yù)測準(zhǔn)確性很高.但預(yù)測熱處理后40Cr扭轉(zhuǎn)強度時誤差仍然很大，說明不能根據(jù)預(yù)測的抗拉強度簡單取估算系數(shù)0.55估計扭轉(zhuǎn)抗拉強度.

熱處理前，材料試樣τb／σb＝0.55，熱處理后，τb／σb＝0.854.可以初步認(rèn)為，40Cr經(jīng)淬火處理后，表面產(chǎn)生了硬化層，淬透深度導(dǎo)致硬度增加，材料可能顯示部分脆性的性質(zhì)，也驗證了根據(jù)硬度來估算抗拉強度比較準(zhǔn)確的原因.但材料的性質(zhì)到底是否發(fā)生了變化，還需進(jìn)一步的實驗研究證明.

通過比較熱處理前后40Cr材料和20 MnCr5材料靜強度值，可發(fā)現(xiàn)經(jīng)熱處理后材料靜強度分別提高了197%和145%.因此，工藝處理能顯著提高材料靜強度.

2.2 疲勞特性

40Cr材料工藝強化后，疲勞試驗結(jié)果如表5所示.

表5 40Cr材料疲勞試驗結(jié)果Tab.5 Fatigue test results of 40Cr

20 MnCr5材料工藝強化后疲勞試驗結(jié)果如表6所示.表6中＊表示為超過該循環(huán)未失效.

表6 20MnCr5材料疲勞試驗結(jié)果Tab.6 Fatigue test results of 20MnCr5

利用表5中的載荷幅值以及試驗壽命，即可擬合出工藝處理后試樣中壽命段S－N 曲線的函數(shù)表達(dá)式為

可估算熱處理后40Cr材料扭轉(zhuǎn)疲勞強度為465 MPa.材料經(jīng)熱處理疲勞強度提高了89.8%.

由表6可知，應(yīng)力為1 150MPa時，疲勞壽命為90 100次，但應(yīng)力稍微降低到1 100 MPa時，兩次試驗，循環(huán)數(shù)都超過了300萬次而未失效，所以可認(rèn)為熱處理后齒輪疲勞強度為1 100 MPa，與熱處理前相比提高了73.5%.

對表6疲勞試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得碳氮共滲

熱處理后S－N 曲線方程為

熱處理前材料的S－N 曲線為

在應(yīng)力－對數(shù)疲勞壽命坐標(biāo)下，兩條曲線如圖1所示.碳氮共滲后，材料的S－N 曲線向上移動，斜率由－145.388變?yōu)椋?38.973.原材料轉(zhuǎn)折點的No為135萬次［2］，碳氮共滲后材料轉(zhuǎn)折點No變得較小，疲勞壽命為39萬次.

圖1 工藝強化前后齒輪材料的S－N 曲線Fig.1 Change of S－N curve after surface strengthening

由此可以得到，熱處理后材料疲勞強度增大，有限壽命區(qū)會減小且在有限壽命區(qū)設(shè)計時所能承受的應(yīng)力變大，無限壽命區(qū)增大.經(jīng)過熱處理強化后的高強度齒輪的S－N 曲線轉(zhuǎn)折點循環(huán)數(shù)No不能用其材料的試驗值來估算，否則會造成較大的估算誤差.

文獻(xiàn)［3］初步解釋了高強度齒輪的S－N 曲線轉(zhuǎn)折點循環(huán)數(shù)No降低的微觀原因.零件經(jīng)表面強化處理后，裂紋形成門檻值變高，疲勞極限變大，裂紋萌生階段的壽命也就越強.高強度、超高強度材料及經(jīng)過表面強化處理的材料，疲勞壽命主要由裂紋萌生階段決定［4－6］.只要出現(xiàn)裂紋，裂紋擴(kuò)展并最終斷裂的機會很大.疲勞裂紋萌生壽命決定了高強度齒輪的總循環(huán)壽命.

3 結(jié) 論

中頻淬火和碳氮共滲這兩種工藝處理能使材料的強度特性發(fā)生很大的變化.采用查圖表方法預(yù)測工藝處理后材料強度特性，預(yù)測結(jié)果存在很大的誤差，可能由于材料性質(zhì)發(fā)生了變化，應(yīng)用硬度強度轉(zhuǎn)化關(guān)系預(yù)測.

傳動軸試樣經(jīng)中頻淬火處理，靜強度能提高197%.疲勞強度能提高89.8%.齒輪材料經(jīng)碳氮共滲強化，靜強度提高145%，疲勞強度提高73.5%.靜強度和疲勞強度提高比例不同說明經(jīng)工藝處理后，材料存在應(yīng)力集中系數(shù).齒輪材料經(jīng)碳氮共滲后，S－N 曲線向上移且斜率由原來的－145.388變?yōu)椋?38.973，轉(zhuǎn)折點循環(huán)數(shù)No變小.因此不能用材料的S－N 曲線近似代替工藝處理后零件的S－N曲線，最好重新進(jìn)行測定.

適當(dāng)工藝處理對材料強度特性有很大的影響，在設(shè)計時需要充分考慮各個影響因素.

［1］趙少汴，王忠保.抗疲勞設(shè)計——方法與數(shù)據(jù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1997.

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［6］鄭修麟.屈服強度與裂紋起始壽命間的關(guān)系［J］.機械強度，1989，11（1）：35－39.