鋼鐵材料復(fù)合強化的可行性分析

孫 建 陳守東 陳子潘

（銅陵學(xué)院機械工程學(xué)院，安徽 銅陵 244061）

鋼鐵材料復(fù)合強化的可行性分析

孫 建 陳守東 陳子潘

（銅陵學(xué)院機械工程學(xué)院，安徽 銅陵 244061）

復(fù)合強化是鋼鐵材料強化的主要方式之一，但復(fù)合強化屬于多種強化結(jié)合的一種強化手段。復(fù)合強化通過向金屬中加入各種微量元素，制作具有較高性能的合金。在鋼鐵材料的制作過程中，也可以對軋鋼進行冷卻，形成含有馬氏體、鐵素體、珠光體等的固態(tài)相變結(jié)構(gòu)。本文主要對鋼鐵材料復(fù)合強化的可行性展開研究，通過分析提升鋼鐵材料疲勞強度的方法，提出馬氏體固態(tài)相變與形變強化的可行性途徑。

鋼鐵材料；復(fù)合；固態(tài)相變；形變強化；可行性

鋼鐵復(fù)合材料中加入密度低的剛性元素，能有效提升金屬本身的強度和韌性。此外，鋼鐵材料復(fù)合過程中，其固態(tài)相變、形變強化所耗費的成本低，形成的材料結(jié)構(gòu)更加均勻。因此，本文以鋼鐵材料疲勞強度作為復(fù)合強化的主要關(guān)注點，展開鋼鐵材料制備與加工的可行性方式探討。

1 復(fù)合強化鋼鐵材料的選擇

復(fù)合強化鋼鐵材料包括連續(xù)相和分散相兩個部分，連續(xù)相就是經(jīng)常說的鋼鐵基體，分散相為增強材料。其中，鋼鐵基體的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系到復(fù)合材料承受外加載荷能力的優(yōu)劣。高速鋼是鋼鐵材料基體的一種，其具有高硬度、高耐磨性、高耐熱性等性能。高速鋼是用金屬粉末等混合物燒制而成，主要成分為C、Si、Mn、Cr、TiC、Al2O3和TiN等。由于利用金屬粉末制作鋼材的工藝存在較大限制，其要求在高速鋼粉末中，增加磷化亞銅和石墨等合金組成的基本單元。加入磷化亞銅和石墨后，高速鋼粉末在壓制過程中，其密度和柔韌程度會逐漸增強。除此之外，某些復(fù)合強化鋼也會使用鐵加入混合石墨的組合來進行鋼鐵材料基體的制作。由金屬粉末添加其他混合物制作的高速鋼，其化合物相組成物的硬度和強度都非常高，耐磨性與切割性能也非常卓越。

復(fù)合強化鋼鐵材料的另一部分為增強材料，增強材料也是決定復(fù)合強化鋼鐵力學(xué)抗壓性的主要因素之一。鋼鐵材料基體、增強體的有效融合，能促進復(fù)合材料各項性能的提升。鋼鐵材料增強體一般選用硬度較高的氣固混合物來完成與鋼鐵材料基體的相容活動。目前，SiC是復(fù)合強化鋼鐵材料中最常用的增強體，其主要使用方法為鐵與15%SiC組合，燒制溫度控制在1 100℃左右。在Fe中加入SiC后，復(fù)合強化鋼鐵材料的強度、柔韌度會有所降低，但其耐磨損性能會提升20倍左右。此外，由于其工藝制作成本較低，因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到了大規(guī)模應(yīng)用。

2 馬氏體形變強化與固態(tài)相變的原理

鋼鐵材料在使用丸粒進行工件表面轟擊后，工件疲勞強度會受到殘余壓應(yīng)力的影響，從而提升相應(yīng)性能；或者通過一定形式的滾壓工具加工后，鋼鐵材料的物理特性會顯著增強。在碾壓過程中，鋼鐵材料的表層結(jié)構(gòu)、機械特性和形狀尺寸等，也會發(fā)生相應(yīng)改變。例如：某鋼鐵材料20CrNiM0經(jīng)過高頻淬火、低溫回火等工序后，再進行工件表面的滾壓工作。檢測表明：滾壓后20CrNiM0工件光潔度為▽9，粗糙程度為1.6～3.2μm［1］。而對工件進行丸粒表面轟擊后，鋼鐵材料光潔程度會大大降低，硬度△HV則會相應(yīng)提高。鋼鐵材料在經(jīng)過工件滾壓后，其形變硬化層組織結(jié)構(gòu)的亞晶粒細化增大，單位體積位錯密度開始增加，晶格畸變程度也逐漸增大。與此同時，GCr15鋼經(jīng)過高頻淬火、滾壓操作之后，鋼鐵材料鑲塊會顯著縮小，其單位體積位錯密度會增大為原來的300%。鋼鐵材料工件滾壓的程度增強后，將工件置于900℃高溫的活性滲碳介質(zhì)中，再經(jīng)過高頻淬火的處理，使單相奧氏體逐漸向馬氏體的方向發(fā)生相變。通過電子顯微鏡可以發(fā)現(xiàn)，細針型馬氏體開始發(fā)生破碎，其單位體積位錯密度、鑲塊等物理量顯著縮小，可見，馬氏體強度△HV逐漸增強。同時，鋼鐵材料在發(fā)生形變強化的過程中，鋼鐵表面仍舊存在殘余壓應(yīng)力［2］。因此可以說，鋼鐵材料的疲勞強度與單位體積位錯密度、鑲塊、馬氏體相變等存在較大關(guān)聯(lián)，其關(guān)聯(lián)公式如式（1）和式（2）所示：

從以上數(shù)據(jù)分析可以看出：相比于其他固態(tài)組織而言，鋼鐵材料經(jīng)過高頻淬火、低溫回火的處理操作后，其表面滾壓形變的殘余壓應(yīng)力、光潔程度和硬度顯著增強。因此，通過對鋼鐵材料進行馬氏體形變強化、固態(tài)相變的操作后，鋼鐵材料疲勞強度會相應(yīng)提升。鋼鐵材料組成形態(tài)與其硬度的關(guān)系如圖1所示。

3 復(fù)合強化提升鋼鐵材料疲勞強度的力學(xué)研究

鋼鐵材料在循環(huán)應(yīng)力、循環(huán)應(yīng)變的作用下，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會逐漸發(fā)生永久性變化，造成在經(jīng)歷相應(yīng)次數(shù)的循環(huán)后形成裂紋或斷裂。這種情況發(fā)生后，需要對疲勞失效、裂紋發(fā)展時間、裂紋擴展時間、疲勞裂紋擴展最值等數(shù)據(jù)進行分析，從而得出最終的鋼鐵材料疲勞斷裂結(jié)果。其中，疲勞裂紋擴展最值包括交變載荷應(yīng)力強度的最小值、最大值，以及裂紋擴展的速度、深度等參數(shù)［3］。鋼鐵材料疲勞斷裂結(jié)果的表達式如式（3）和式（4）所示：

斷裂點疲勞裂紋總時限為：Nf=N0+NP=N0+da/(da/dN)（化簡得出：Nf=（fN0，da/dN，ac））

從上述表達式可以得出：隨著N0、ac的增大，以及da/dN數(shù)值的縮小，鋼鐵材料斷裂點疲勞裂紋的總時限增長。通過研究發(fā)現(xiàn)，中碳鋼和中碳合金鋼在完成高頻淬火、低溫退火操作后，其組織的細化晶粒非常均勻，硬度也相應(yīng)降低。而在恢復(fù)到馬氏體形變之后，鋼鐵材料的強度會增大，可塑性與柔韌性會逐漸降低。在馬氏體形變狀態(tài)下，其表面滾壓形變的殘余壓應(yīng)力、裂紋發(fā)展時間數(shù)值會顯著提升。但鋼鐵材料的裂紋擴展速度增加，疲勞裂紋擴展最值會迅速降低，對鋼鐵材料疲勞強度的增強效用會逐漸失效。從上述公式可以看出：經(jīng)過高頻淬火、低溫回火的處理后，馬氏體表明再施加形變強化的作用，則疲勞裂紋擴展值、擴展半徑會迅速降低，裂紋擴展最值會逐漸增大，裂紋擴展速度減小。對20CrNiM0進行高頻淬火、低溫回火的操作，其形變的殘余壓應(yīng)力值達到-220kg/mm2，而且隨著鋼鐵材料硬度、光潔度的增大，裂紋發(fā)展時間也會逐漸變長。因此可以說，鋼鐵材料裂紋擴展的深度，與鋼鐵材料的可塑性、柔韌性有較大關(guān)系。鋼鐵材料在兩個方向往復(fù)振動的過程中，若想增加裂紋擴展深度和裂紋斷裂柔韌度，則需要通過對材料表面進行高頻淬火與化學(xué)加熱，然后再進行形變強化處理。只有經(jīng)過上述步驟的處理，其才能獲得較高的可塑性與柔韌性［4］。

圖1 鋼鐵材料組成形態(tài)與其硬度的關(guān)系（X：碳鋼；O：合金鋼）

以上分析表明，鋼鐵材料在不確定載荷的情況下，對其力學(xué)性能的實驗?zāi)茏鳛椴牧掀诳沽υu定的依據(jù)。上述對鋼鐵材料疲勞壽命的分析，可以指導(dǎo)今后的鋼鐵材料復(fù)合強化工作。鋼鐵材料只有經(jīng)過形變強化、固態(tài)相變等加熱擴展操作，才能實現(xiàn)疲勞強度失效抗力的提高。

4 鋼鐵材料局部的形變強化與結(jié)果分析

4.1 鋼鐵材料局部的形變強化

在鋼鐵材料的工業(yè)化生產(chǎn)過程中，大多數(shù)鋼鐵材料零部件都存在相應(yīng)的形狀、缺口，以便于產(chǎn)品的實際使用與推廣。此外，某些鋼鐵材料的載荷會發(fā)生大小或方向變化，那么工件缺口處所承受的載荷會增加，直至整個零件由于負載疲勞發(fā)生相應(yīng)的斷裂情況。同時，工件缺口處載荷會轉(zhuǎn)化為高應(yīng)變塑性載荷，鋼鐵材料的強度也會產(chǎn)生形變強化作用。針對鋼鐵材料局部的形變強化現(xiàn)象，通常使用強度低、可塑性大的鋼鐵材料，通過高溫加熱處理以完成產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)。經(jīng)過實踐研究發(fā)現(xiàn)，通過使用高強度鋼，對局部進行高頻淬火、化學(xué)加熱來產(chǎn)生形變強化的方式，能有效減少鋼鐵材料零部件缺口處的損壞情況。而且對鋼鐵材料局部的形變強化后，缺口處的可塑性應(yīng)變會迅速減小，直至最后消失。此外，通過對鋼鐵材料表面進行滾壓，產(chǎn)生滾壓形變的殘余壓應(yīng)力，也能提升鋼鐵材料零部件缺口處的負載能力。通過以上局部形變強化操作后，鋼鐵材料零部件的疲勞強度會均勻分布于各個部位，再對鋼鐵材料展開強度理論的設(shè)計。

傳統(tǒng)鋼鐵材料的形變強化方式，是進行淬火和高溫回火的綜合熱處理。而局部的形變強化，則是對鋼鐵材料表面進行滾壓，產(chǎn)生滾壓形變的殘余壓應(yīng)力，從而完成鋼鐵材料局部的形變強化操作。這種方式通常用于工業(yè)化生產(chǎn)中，高強度鋼在完成化學(xué)加熱后，需要進行一道表面滾壓形成殘余壓應(yīng)力的操作，這是鋼鐵材料工業(yè)化生產(chǎn)的主要工藝。

4.2 結(jié)果分析

鋼鐵材料只有經(jīng)過形變強化、固態(tài)相變等加熱擴展操作，才能實現(xiàn)鋼鐵材料疲勞強度失效抗力的提高。通過對鋼鐵材料表面進行滾壓，產(chǎn)生滾壓形變的殘余壓應(yīng)力，也能夠提升鋼鐵材料零部件缺口處的負載能力。

5 結(jié)語

復(fù)合強化鋼鐵材料包括基體、增強體兩個部分，在工藝制作中鋼鐵材料成本較低，因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到了大規(guī)模應(yīng)用。在鋼鐵材料疲勞強度失效抗力、局部的形變強化等方面，可以使用加熱擴展、滾壓形變等手段來提升鋼鐵材料的可塑性與柔韌性。因此，鋼鐵材料的復(fù)合強化，在大型工業(yè)化生產(chǎn)中具有可行性。

［1］李亞江，魏守征.特種加工技術(shù)在某新型微疊層復(fù)合材料中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2012（15）：51-55.

［2］張心金，劉會云.金屬層狀復(fù)合材料結(jié)合性能的評價方法［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報，2013（3）：195-201.

［3］李龍，祝志超，周德敬.有限元分析在金屬層狀復(fù)合材料開發(fā)中的應(yīng)用［J］.南方金屬，2015（6）：1-9.

［4］曹文全，徐海峰，翁宇慶.新型低密度高強高韌熱軋層狀鋼研發(fā)［J］.鋼鐵，2016（9）：1-10.

The Feasibility Analysis of Steel Material Compound Strengthening

Sun Jian Chen Shoudong Chen Zipan
（College of Mechanical Engineering,Tongling University，Tongling Anhui 244061）

Compound strengthening is one of the main ways of strengthening steel materials.However,com?pound strengthening is a kind of strengthening method combining multiple strengthening.Complex strengthen?ing by adding various trace elements to the metal,to produce alloys with higher performance.In the pro?duction of steel materials,the steel can also be cooled to form a solid phase transformation structure con?taining martensite,ferrite and pearlite.In this paper,the feasibility of composite strengthening of steel mate?rials was studied.By analyzing the method of improving the fatigue strength of steel materials,the feasibili?ty of martensitic solid phase transformation and deformation strengthening is proposed.

steel materials；composite；solid phase transformation；deformation strengthening；feasibility

TB331

A

1003-5168（2017）12-0061-03

2017-11-01

銅陵學(xué)院人才科研啟動基金項目（2016tlxyrc05）。

孫建（1988-），男，碩士，助教，研究方向：金屬材料組織性能控制。