熱處理工藝對金屬材料抗疲勞性能影響分析

基于加熱、保溫以及冷卻等技術(shù)開展固態(tài)金屬材料加工作業(yè)，得到預(yù)期性能以及組織的熱加工工藝均稱作熱處理工藝。在機械制造活動中，金屬熱處理是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，與其他工藝相比，該工藝能夠?qū)Σ牧鲜褂眯阅苓M行有效優(yōu)化，在不改變材料化學(xué)成分與形狀基礎(chǔ)上，對材料表面化學(xué)材料顯微組織與表面化學(xué)組成進行改變，進而對材料內(nèi)在質(zhì)量進行優(yōu)化。人們?yōu)榱顺浞謨?yōu)化金屬材料化學(xué)性能、物理性能以及力學(xué)性能等，一般會選擇熱處理工藝開展加工作業(yè)。FV520B鋼材在機械制造中應(yīng)用較為廣泛，其顯微組織比較復(fù)雜，所以需要借助熱處理工藝展開控制，因此，選擇FV520B鋼材熱處理，研究金屬材料中熱處理影響情況

。

1 金屬材料的抗疲勞性能影響因素

（1）預(yù)處理間接作用。開展實際加工作業(yè)前，一些材料應(yīng)該開展預(yù)處理作業(yè)，進而將金屬材料內(nèi)部張力消除掉。一般，預(yù)處理工藝屬于標準化手段。因為其要求需要較大的空間規(guī)模，進行標準化作業(yè)過程中，冷卻環(huán)節(jié)會出現(xiàn)堆疊冷卻現(xiàn)象。此過程可能無法充分冷卻金屬材料，進而直接影響材料性能。

（2）溫度影響。金屬材料存在臨界加熱溫度點，同時對其展開熱處理后，在溫度逐漸降低過程中，其耐高溫性也會受到影響?；谂R界溫度點條件下，金屬材料結(jié)構(gòu)張力與熱應(yīng)力等性能持續(xù)變化，進而影響其性能，在熱處理作業(yè)過程中，溫度和時間是影響材料變形的關(guān)鍵因素

。

通過計算得到，當這張正方形紙的邊長為20 cm，若從四個角剪去的小正方形邊長為x(在數(shù)值上等于所折無蓋長方體型盒子的高h)，該無蓋長方體形盒子所對應(yīng)的容積V的表達式為：V=(20-2x)2·h=(20-2x)2·x，當x分別取1 cm,2 cm,3 cm,…,9 cm，10 cm 時，容積V隨小正方形邊長x變化的數(shù)據(jù)如下表1、圖1所示：

2 影響機理

以金屬材料角度分析，熱疲勞性能夠?qū)ζ淇蛊谛阅苓M行直接體現(xiàn)。累積回火的轉(zhuǎn)變就是熱疲勞的實質(zhì)，會出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，碳化物持續(xù)聚集過程中會對其造成持續(xù)影響。借助在碳化物聚集方面展開建模以及模型分析能夠發(fā)現(xiàn)，碳化物始終處于熱、冷交替環(huán)境中，基于此種條件，會出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，并且難以避免。單獨顆粒雖然非常小，然而基于持續(xù)循環(huán)條件下，顆粒會出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，產(chǎn)生較大顆粒，進而產(chǎn)生碳化物，并產(chǎn)生裂紋。

3 FV520B疲勞性能受到熱處理工藝的影響研究

3.1 研究方法

拉應(yīng)力導(dǎo)致樣品表面溫度出現(xiàn)線性下降趨勢，在拉伸應(yīng)力不斷增加過程中，雖然在宏觀層面樣品以彈性變形為主，然而樣品內(nèi)部出現(xiàn)不可逆塑性變形現(xiàn)象，同時通過熱能形式進行釋放。因為熱彈性效應(yīng)居于主導(dǎo)地位，所以樣品表面溫度不斷減小，在塑性變形性能造成對流、熱彈性效應(yīng)和溫升速率導(dǎo)致的溫降速率一致時，溫度處于最低點狀態(tài)，此時溫度降低0.3℃左右。

3.2.2 宏微觀疲勞的失效機理

A、B、a、b代表材料常數(shù)，σ

代表疲勞極限。借助最小二乘原理對（σ

，ΔT

）數(shù)據(jù)進行擬合處理，指揮就可以得到回歸直線，其交點為臨界應(yīng)力，其是溫升機制出現(xiàn)轉(zhuǎn)變的節(jié)點，即疲勞極限，該方法就是紅外熱像法，可以對鋼材疲勞極限展開快速測定。

令表示知識超網(wǎng)絡(luò)中協(xié)同成員之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系集合，其中：表示協(xié)同成員之間的第κ類關(guān)系，?表示協(xié)同成員之間關(guān)系種類的數(shù)量。在第κ類關(guān)系下，協(xié)同成員之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣可表示為：

近年來，我國經(jīng)濟一直呈現(xiàn)出一種增長的趨勢，但在發(fā)展過程中仍舊面臨著多種難題。外部環(huán)境在不斷地更新變化，出現(xiàn)了經(jīng)濟新常態(tài)的環(huán)境特征，銀行業(yè)卻沒有隨之得以更新與調(diào)整，使得銀行業(yè)的發(fā)展遭遇到瓶頸。基于此，銀行業(yè)需要順應(yīng)時代的變化，通過改革創(chuàng)新等措施來提升自身的服務(wù)質(zhì)量，實現(xiàn)供給側(cè)改革，加強服務(wù)實體經(jīng)濟的能力。

借助MTS810伺服液壓疲勞試驗機開展單軸拉伸處理，拉伸速率設(shè)置為2mm/min。在試樣標距中固定引伸計，進而對拉伸環(huán)節(jié)中的應(yīng)力應(yīng)變信息進行實時記錄，之后借助應(yīng)力/應(yīng)變曲線得到A板與B板的伸長率、屈服強度以及極限強度等力學(xué)性能信息

。

在A板與B板試樣中截取20×10×6mm規(guī)格樣品，并打磨拋光其表面，之后借助苦味酸鹽酸酒精溶液對拋光面進行腐蝕處理，其配比為酒精：鹽酸：苦味酸=100ml：4ml：4g，借助FEIQANTA200顯微鏡對鋼材金相組織進行研究。同時借助顯微鏡對鋼材疲勞端口的形貌進行觀察，根據(jù)紅外熱像圖對其疲勞斷裂機理進行研究。

3.2 結(jié)果以及討論

（2）疲勞試驗。進行高周疲勞處理時，鋼材基于疲勞極限循環(huán)應(yīng)力水平條件下工作過程中，應(yīng)為滯彈性效應(yīng)、黏性效應(yīng)以及其他非塑性效應(yīng)造成的內(nèi)耗散與塑性耗散引發(fā)的鋼材損傷相比非常小。若是循環(huán)應(yīng)力比鋼材疲勞極限高，但是比屈服極限低的情況下，在溫度變化過程中，材料表面也會發(fā)生變化。在第一階段，主要是加載初期環(huán)節(jié)中，快速升溫環(huán)節(jié)。在二階段，溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)。第三階段，斷裂之前溫度快速增加環(huán)節(jié)。其中，溫度穩(wěn)定值可以將循環(huán)載荷條件下的鋼材熱耗散的狀態(tài)表征出來，開展工程應(yīng)用以及實驗研究活動中，主要是用于疲勞性能快速評估以及鋼材損傷情況識別，此環(huán)節(jié)壽命在樣品疲勞壽命中的占比達到90%以上。

（1）拉伸試驗。見下圖1。

1928年，由李惠堂率領(lǐng)的上海樂華足球隊出訪菲律賓，這是中國足球隊受菲律賓著名華僑領(lǐng)袖林珠光邀請首訪東南亞。在一個月的出訪中，樂華共與菲律賓的“全菲混合隊”、“馬尼拉混合隊”、“SanEeda隊”、“SantoTomas隊”、“N.C.A.A隊”、“P.A.A.F隊”等[4]，實際進行了6場比賽。結(jié)果樂華足球隊以4勝1平1負的成績威名大振，令菲人刮目相看，華僑界更是激動不已。

其中a圖為原材料，b圖為熱處理材料（熱處理狀態(tài)是固溶+時效強化等熱處理）。該曲線較為光滑連續(xù)，然而兩圖中屈服平臺并不明顯，所以在塑性應(yīng)變是0.2%條件下的應(yīng)力水平設(shè)定為鋼材σ

（屈服強度）。B板通過固溶+時效強化等熱處理后，相比于A板，B板極限強度以及屈服強度得到充分優(yōu)化?？赡軌蛞驗闊崽幚砉に嚧偈笲板第二相、晶格缺陷以及晶粒尺寸等微觀組織得到有效優(yōu)化。見下表2。

另外，進行單調(diào)拉伸處理時，熱耗散以及熱彈性效應(yīng)均會影響試樣表面溫度的信號變化情況，就是在拉伸過程中，熱彈性效應(yīng)會導(dǎo)致試樣溫度不斷降低，熱耗散會讓試樣溫度不斷增加。進行觀察發(fā)現(xiàn)，在單調(diào)拉伸載荷施加初期，因為應(yīng)力水平低，樣品以可逆彈性變形形變?yōu)橹?，因此材料?nèi)部中的微觀組織會發(fā)生可逆運動，不會累積不可逆損傷?；跓釓椥孕?yīng)影響：

（1）實驗試件以及材料。采用同一批次中兩塊通過固溶化處理的鋼材，化學(xué)成分見下表1。

目前，污水處理比較先進的一種技術(shù)是MSBR工藝，其是連續(xù)流序批反應(yīng)工藝的改良版。這種方式處理過后的污水能達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》的要求，MSBR工藝能夠有效除去水體中的氮、磷等，但是其效果受到某些因素的影響。

其中，Ⅰ階段，是指由于熱彈性效應(yīng)引發(fā)的近似線性的溫度減少階段。Ⅱ階段，是指由于鋼材內(nèi)部微觀損傷與熱彈性效應(yīng)引發(fā)的非線性溫度減小階段。Ⅲ階段，是指由于鋼材微損傷擴展與合并引發(fā)的溫度不斷增加階段。綜上，在拉伸不斷開展過程中，拉應(yīng)力持續(xù)增加，樣品局部出現(xiàn)錯位運動與滑移等屈服狀態(tài)，內(nèi)摩擦、塑性變形以及其他不可逆變化導(dǎo)致熱耗散速率持續(xù)上升，同時在溫度變化中具有主導(dǎo)地位，所以樣品溫度持續(xù)增加，最終造成斷裂。所以材料的表面溫度變化情況和內(nèi)部塑性變形之間具有緊密關(guān)聯(lián)。

3.2.1 力學(xué)性能

在一些金屬材料中，若是交變應(yīng)力比其疲勞極限低，不會累積疲勞損壞，可以忽略由于滯彈性效應(yīng)、黏性效應(yīng)以及其他非塑性效應(yīng)造成的溫升值?；谘h(huán)荷載條件，樣品表面溫升信號和循環(huán)應(yīng)力幅具有以下關(guān)系：

一塊記作A板，另一塊記作B板（進行中間調(diào)整以及時效處理，即熱處理過程）。之后沿試件軋制方向進行矩形截面的平板試品制作，其標距尺寸如下：200＊12＊6mm。

借助傳統(tǒng)方法獲得疲勞極限如下：σ

=274MPa、σ

=310MPa。兩種方法獲得疲勞極限誤差保持在5%左右。見下表3。

所以，紅外熱像手段可以對各種熱處理材料疲勞性能展開準確、快速分析。借助對比表2以及表3能夠發(fā)現(xiàn)，鋼板通過固溶化處理以及中間調(diào)整等熱處理之后，鋼材疲勞極限提升13.1%、屈服極限強化23%、強度極限強化24.5%。所以，可以確定FV520B鋼材的力學(xué)性能得到強化主要是由于熱處理工藝對其顯微組織結(jié)構(gòu)與成分進行優(yōu)化，所以充分提升了基體組織連續(xù)性以及均勻性。

（2）實驗方法。開展疲勞實驗活動前，借助細砂紙打磨A板和B板棱角邊緣，進而促使疲勞微裂紋形成過程進行有效緩解。為了保證紅外熱像儀能夠充分監(jiān)測試樣表面的溫度場信號的變化規(guī)律，在樣品表面均勻噴涂黑色亞光漆，進而減少反射光影響，并強化表面的熱輻射率。

2) 運輸時間.貨物在運輸時所消耗的時間長意味著貨物占用資金的時間長，會導(dǎo)致貨物成本的增加.通過降低運輸時間可以吸引顧客，提高運營商(水上“巴士”)的市場份額[13].因此運輸時間是影響貨主選擇路徑的重要因素，主要包括節(jié)點間的運輸時間及節(jié)點處中轉(zhuǎn)時間.

借助FEI Quanta200顯微鏡觀察分析A板和B板宏微觀疲勞斷口形貌特征。見下圖2。

其中，a圖為A板，b圖為B板。斷面涵蓋3個區(qū)域，第一，邊界棱角位置、試件疲勞微裂紋出現(xiàn)區(qū)。第二，疲勞裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)。第三，裂紋失穩(wěn)造成的瞬斷區(qū)。雖然均涵蓋疲勞斷裂特征，然而以宏觀層面觀察，A板與B板局部特征之間區(qū)別顯著，表明熱處理在A板以及B板抗疲勞機理方面存在一定影響。

分析A板疲勞斷口裂紋區(qū)形貌，試樣邊界棱角位置是疲勞裂紋主要發(fā)生部位，和軸向應(yīng)力之間成45°部位，之后裂紋拓展面和軸向應(yīng)力之間保持垂直狀態(tài)。因為，只做固溶，強化相未能均勻析出；穩(wěn)定化處理和時效處理基本不改變晶粒尺寸，固溶處理有細化晶粒的作用，因此，A板缺乏良好塑性與韌性等性能，進而造成裂紋拓展區(qū)出現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象，也沒有顯著的疲勞弧線?；谘h(huán)載荷條件，裂紋上面與下面持續(xù)張開合并，同時相互摩擦，進而使得裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)更加平整。對于瞬斷區(qū)，其和主應(yīng)力方向之間夾角在45°左右，由剪切應(yīng)力造成。在瞬斷區(qū)與穩(wěn)定擴展區(qū)過渡部位，出現(xiàn)了少量疲勞輝紋，互相平行。因為A板中晶粒粗大，缺乏良好塑性，因此瞬斷區(qū)中存在小而淺、少量韌窩。見下圖3。

(1)驗證了水是TSR反應(yīng)發(fā)生的必要條件，在無水條件下 ，CaSO4不能引發(fā)TSR反應(yīng)生成H 2 S。

自媒體又稱“個人媒體”或“公民媒體”，是普通大眾以現(xiàn)代化和電子化的手段，傳遞規(guī)范性及非規(guī)范性信息，提供與分享他們自身的事實、新聞的途徑。本研究通過微信和新浪微博等自媒體平臺，在搜索欄輸入“黃山民宿”，剔除純圖片，純營銷，純介紹性文字，得到最終有效游記和評價共198條。

其中，a圖為裂紋源區(qū)，b圖為裂紋擴展區(qū)，c圖為瞬斷區(qū)，d圖為二次裂紋與韌窩。

分析B板疲勞斷口裂紋區(qū)形貌，在試樣表面邊界棱角部位經(jīng)常出現(xiàn)疲勞微裂紋，基于循環(huán)載荷條件，微裂紋主要沿著和軸向之間夾角為45°的剪切應(yīng)力方向進行拓展。進行循環(huán)周次處理后，由于微裂紋持續(xù)合并以及成核，所以會產(chǎn)生主裂紋，其主要沿著與軸向載荷相垂直方向拓展。然而裂紋尺寸小，并且拓展速度慢，可以緩慢釋放裂尖塑性，促使樣品表面發(fā)生局部熱點區(qū)。裂紋進行拓展時，由于裂紋監(jiān)督持續(xù)出現(xiàn)銳化以及鈍化現(xiàn)象，因此在各種拓展時刻中均會出現(xiàn)疲勞弧線，互相之間相互平行，彼此之間的間距在裂紋長度以及循環(huán)應(yīng)力持續(xù)增加過程中，也會持續(xù)增大。此時裂紋尖端塑性變形能主要通過熱能形式進行釋放，進而造成裂尖位置溫度快速增加。斷口斷面和軸向載荷之間夾角在45°左右。出現(xiàn)斷裂之前，B板內(nèi)部顯微孔洞聚集、成核速度快，基于滑移系作用，在顯微空洞不斷增加過程中會造成斷裂現(xiàn)象，引發(fā)韌窩斷口問題，在杯錐狀韌窩中能夠發(fā)現(xiàn)第二相粒子。見下圖4。

其中，a圖為主裂紋，b圖為疲勞輝文，c圖為剪切唇，d圖為第二相粒子與韌窩。

借助對A板以及B板樣品宏微觀疲勞斷口特征進行分析，B板由于進行了時效處理以及中間調(diào)整，所以顯微組織分布以及結(jié)構(gòu)等均得到優(yōu)化，同時得到晶粒細化，促使單位面積中晶粒數(shù)目不斷增加，增大了晶界面積，另外，晶粒內(nèi)部與晶間中第二相粒子增多，在彼此之間共同作用下，促使FV520B鋼材抗疲勞裂紋以及拓展水平得到充分提升。試樣邊界棱角部位出現(xiàn)疲勞裂紋的關(guān)鍵原因就是，與內(nèi)部晶粒相比，此位置晶粒的約束更少，同時由于試樣表面應(yīng)力集中，使得滑移帶易于在表面位向有利的晶粒處發(fā)生，并發(fā)展成微裂紋源。材料表面、過渡界面的粗糙度以及內(nèi)部微觀組織缺乏均勻性、連續(xù)性等，均會造成應(yīng)力集中問題，為微裂紋發(fā)生以及拓展等提供良好條件。所以，優(yōu)化表面光潔度、保證過渡截面足夠光滑、對內(nèi)部組織進行細化，可以對材料抗疲勞性能進行充分優(yōu)化。同時，將殘余壓應(yīng)力引入到材料局部表面中，并采用表面滲氮處理、噴丸處理等方法提高表面晶粒約束力，可以充分控制其疲勞裂紋問題，延長構(gòu)件使用期限。在高周疲勞方面，循環(huán)應(yīng)力較低，微裂紋經(jīng)常出現(xiàn)在大尺寸晶界、表面晶粒以及非金屬包含物中，所以熱處理工藝是強化金屬材料抗疲勞性能的關(guān)鍵方法。

4 結(jié)語

綜上所述，時效熱處理以及中間調(diào)整等特殊處理工藝促使FV520B鋼材內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)得到充分優(yōu)化，充分強化FV520B鋼材力學(xué)性能。另外，紅外熱像手段，研究材料疲勞的關(guān)鍵方法，通過材料表面的溫升信號波動規(guī)律對其疲勞參數(shù)進行研究，可以對各種熱處理工藝的金屬材料疲勞參數(shù)進行準確、快速地確定。

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