熱處理工藝對(duì)50CrVA 彈簧鋼表面狀態(tài)和疲勞性能的影響

供稿|王文博，胡生雙，張錳，楊平

內(nèi)容導(dǎo)讀 利用光學(xué)金相、掃描電鏡以及疲勞試驗(yàn)等手段研究了真空、空氣熱處理工藝對(duì)50CrVA 彈簧鋼疲勞性能和顯微組織的影響。結(jié)果表明：兩種熱處理工藝下材料的疲勞性能差異明顯，真空熱處理工藝的疲勞性能顯著優(yōu)于空氣熱處理工藝，中值疲勞極限提高了30.8%；兩種熱處理工藝的斷口宏、微觀形貌無明顯差異，均為表面單源起裂。材料的表面狀態(tài)對(duì)疲勞壽命影響較大，空氣熱處理工藝的吹砂工序在試樣表面引起微觀表面應(yīng)力集中，降低疲勞性能。

彈簧鋼由于具有強(qiáng)度高、抗疲勞性和抗彈減性好等特點(diǎn)，因此常用來制造減震緩沖、儲(chǔ)能、傳動(dòng)、支撐等零件，在飛機(jī)制造中起著重要的作用[1]。其中，50CrVA 彈簧鋼具有淬透性好，疲勞強(qiáng)度高，屈服比高等優(yōu)良特性，釩的加入使鋼的晶粒細(xì)化，降低過熱敏感性，提高了強(qiáng)度，因此50CrVA 彈簧鋼具有良好的力學(xué)性能和工藝性能，是一種較高級(jí)的彈簧鋼，廣泛用于各種機(jī)械[2-3]。

真空熱處理作為一種提高熱處理質(zhì)量的手段，和空氣熱處理相比具有無氧化、無脫碳、變形小、污染小等特點(diǎn)[4]?？諝鉄崽幚砉に囆枰诹慵崽幚砗筮M(jìn)行吹砂工序以去除氧化皮，而真空熱處理工藝不需吹砂工序，因此2 種熱處理工藝對(duì)零件表面狀態(tài)的影響不同，進(jìn)而可能導(dǎo)致疲勞性能產(chǎn)生差異。

基于此，本文通過試驗(yàn)研究真空、空氣熱處理工藝對(duì)50CrVA 彈簧鋼疲勞性能和顯微組織的影響，為彈簧鋼的工程應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)所選用彈簧原材料為50CrVA，熱處理的淬火溫度和回火溫度分別為850 和385 ℃，熱處理完成后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

疲勞試驗(yàn)：室溫下高周疲勞，應(yīng)力比R=0.06，試樣應(yīng)力集中系數(shù)Kt=1，試驗(yàn)頻率在120±15 Hz。試驗(yàn)包括2 部分：成組法和升降法。試樣的斷口掃描，經(jīng)超聲波清洗后，在掃描電鏡下進(jìn)行觀察，對(duì)宏觀斷口和微觀斷口進(jìn)行拍照，分析失效模式、裂紋源位置等。試驗(yàn)在4 臺(tái)仟邦QBG-50 型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，斷口掃描在TESCAN Vega III 型掃描電子顯微鏡上進(jìn)行。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

熱處理工藝的影響

50CrVA 光滑試樣軸向拉伸高周疲勞應(yīng)力–壽命（S–N）曲線如圖1 所示，成組法和升降法的有效試驗(yàn)結(jié)果均列于圖1（圖中右側(cè)標(biāo)注數(shù)字表示使用升降法時(shí)在對(duì)應(yīng)強(qiáng)度下的試件數(shù)量）。

圖1 50CrVA 高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果

同一載荷水平下，真空熱處理數(shù)據(jù)點(diǎn)基本全部在空氣熱處理數(shù)據(jù)點(diǎn)的右側(cè)，說明真空熱處理的疲勞壽命更長。真空熱處理曲線整體在空氣熱處理上方，說明具有更高的疲勞極限。因此可見，真空爐熱處理試樣的高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果明顯優(yōu)于空氣爐熱處理結(jié)果。表1 中可見，50CrVA 彈簧鋼空氣熱處理的中值疲勞極限為816.7 MPa，為材料屈服強(qiáng)度的50.4%；真空熱處理的中值疲勞極限為1067.9 MPa，為材料屈服強(qiáng)度的64.0%。兩者相比較可見，真空熱處理的中值疲勞極限提高了251.2 MPa，提升了30.8%，提升效果顯著。

表1 高周疲勞極限比較

因此，50CrVA 室溫下的高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，真空熱處理的疲勞性能顯著優(yōu)于空氣爐熱處理。

熱處理工藝對(duì)斷口形貌的影響

觀察斷口形貌（圖2 和圖3），斷口上形成放射線狀花紋，放射線收攏處即為裂紋源產(chǎn)生區(qū)域。2 種熱處理工藝的疲勞裂紋均產(chǎn)生于試樣表面，為單裂紋源起裂。疲勞裂紋從試樣表面一點(diǎn)處產(chǎn)生，隨后疲勞裂紋從表面向內(nèi)部穩(wěn)定擴(kuò)展，形成較為平整光潔的疲勞區(qū)斷口，離裂紋源越遠(yuǎn)，裂紋擴(kuò)展速率越快。當(dāng)裂紋擴(kuò)展超過裂紋臨界尺寸，則發(fā)生瞬間斷裂，形成瞬斷區(qū)，斷口表面起伏明顯。由于是表面單源起裂，材料的表面狀態(tài)對(duì)疲勞裂紋壽命有很大影響[5]。

圖2 空氣熱處理工藝試樣斷口形貌：(a)宏觀形貌；(b)裂紋源區(qū)；(c)裂紋擴(kuò)展區(qū)；(d)裂紋瞬斷區(qū)

圖3 真空熱處理工藝試樣斷口形貌：(a)宏觀形貌；(b)裂紋源區(qū)；(c)裂紋擴(kuò)展區(qū)；(d)裂紋瞬斷區(qū)

熱處理工藝對(duì)表面狀態(tài)的影響

由于是表面單源起裂，材料的表面狀態(tài)對(duì)疲勞壽命影響很大。對(duì)試樣的表面狀態(tài)進(jìn)行觀察（見圖4），空氣熱處理試樣表面存在明顯的劃痕、擦傷、尖銳的槽或坑等缺陷，表面粗糙度大。這是由于空氣熱處理工藝采用吹砂去除試樣表面的氧化銹蝕，砂粒高速?zèng)_擊試樣表面去除氧化皮的同時(shí)在試樣表面造成損傷，形成不連續(xù)的塑性變形，由此造成表面粗糙度的增加，不連續(xù)表面加工硬化造成表層材料性能的不均勻分布。這些特征引起微觀表面應(yīng)力集中，為疲勞不利因素，促進(jìn)了疲勞裂紋源區(qū)的產(chǎn)生。真空熱處理工藝不經(jīng)過吹砂工序，試樣表面未形成氧化皮，保留熱處理前的表面形貌，仍是典型的機(jī)加表面，偶見機(jī)械拋磨留下的少量較淺的劃痕，表面粗糙度小，表面質(zhì)量均勻，因此推遲了疲勞裂紋的產(chǎn)生時(shí)間，其疲勞性能更優(yōu)。

結(jié)束語

（1）50CrVA 采用真空熱處理工藝的室溫高周疲勞性能顯著優(yōu)于空氣熱處理工藝，真空熱處理的中值疲勞極限比空氣爐熱處理提高了30.8%；

（2）2 種熱處理工藝的斷口形貌無明顯差異，斷口上僅存在一個(gè)裂紋源，且裂紋起源于試樣表面，即表面單源起裂；

（3）材料的表面狀態(tài)對(duì)疲勞裂紋壽命影響較大，空氣熱處理工藝的吹砂工序去除氧化皮的同時(shí)在試樣表面形成劃痕、擦傷、尖銳的槽或坑，引起表面粗糙度增大，且表面形成不連續(xù)的塑性變形造成表層材料性能的不均勻分布，引起微觀表面應(yīng)力集中，降低疲勞性能。真空熱處理工藝不需吹砂，表面狀態(tài)好，疲勞性能更優(yōu)。