熱處理對(duì)提高疲勞強(qiáng)度與修復(fù)疲勞裂紋的影響

付 杰，董炎鋒，付廣柱

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221000)

零部件的疲勞問(wèn)題一直以來(lái)都是受到重視的問(wèn)題，有數(shù)據(jù)表明零部件的失效絕大多數(shù)是由于疲勞破壞引起的［1］，而且疲勞破壞時(shí)零部件幾乎無(wú)征兆，因此重大事故很容易在產(chǎn)生疲勞破壞時(shí)發(fā)生。熱處理能夠優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)，使其疲勞強(qiáng)度提高，并且可以修復(fù)疲勞裂紋，從而可以提高零部件的使用壽命。針對(duì)零件越來(lái)越高的使用要求，通過(guò)熱處理提高材料的疲勞強(qiáng)度更顯重要。

1 材料疲勞裂紋的萌生

疲勞裂紋最先開(kāi)始的地方稱為疲勞源，疲勞源對(duì)于材料的微觀結(jié)構(gòu)組織很敏感，能在很小的尺度下萌生疲勞裂紋，一般在3～5個(gè)晶粒尺寸內(nèi)［2］。零件的表面質(zhì)量問(wèn)題是主要的疲勞源，大部分的疲勞始于零件表面或者亞表面。模具在使用過(guò)程中如果能及時(shí)修復(fù)磨損表面，減小疲勞源，能有效提高模具的使用壽命［3］。晶體內(nèi)部存在的大量位錯(cuò)和一些合金元素或雜質(zhì)，晶界強(qiáng)度差異，這些因素都有可能導(dǎo)致疲勞裂紋萌生。研究表明，疲勞裂紋易發(fā)位置有:駐留滑移帶(PSBs)、晶界、表面夾雜物或者第二相顆粒、空洞［2］。這些位置都與材料復(fù)雜多變的微觀組織有關(guān)。如果在熱處理后能夠改善微觀組織，那么就能在一定程度上提高材料的疲勞強(qiáng)度。

2 熱處理對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的影響

初始疲勞裂紋的產(chǎn)生是由材料的微觀組織缺陷導(dǎo)致應(yīng)力集中引起的。熱處理是一種優(yōu)化材料組織的方法，能在一定程度上提高材料的疲勞性能，提高產(chǎn)品的壽命。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看能夠節(jié)約資源，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

2.1 脫碳對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

不當(dāng)?shù)臒崽幚聿⒉荒茉鰪?qiáng)材料的疲勞強(qiáng)度，有時(shí)甚至?xí)档蛷?qiáng)度。脫碳是熱處理中常見(jiàn)的問(wèn)題，章安輝等［4］在分析彈簧鉤斷裂失效時(shí)得出結(jié)論，由于不當(dāng)?shù)臒崽幚矸绞?，使得工件表面脫碳和表面質(zhì)量下降，從而使其疲勞強(qiáng)度降低。高學(xué)敏等［5］在分析42CrMoA鋼制造的連桿斷裂失效原因時(shí)，發(fā)現(xiàn)也是因?yàn)榇嬖诿撎紝?。有研究表明?］滲碳體(Fe3C)在高溫下能與 O2、H2O、H2發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致材料內(nèi)部Fe3C減少，從而增加了材料的鐵素體相，降低材料強(qiáng)度，容易引發(fā)微裂紋。在熱處理過(guò)程中控制好加熱溫度，同時(shí)采用真空熱處理能夠很好地解決這一問(wèn)題。

2.2 熱處理對(duì)不同形狀和用途零件疲勞強(qiáng)度的影響

不同形狀、不同用途的零件應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行不同的熱處理。胡建軍等［7］對(duì)螺栓疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)提高螺栓靜載荷承受能力可通過(guò)提高硬度來(lái)實(shí)現(xiàn)，而疲勞強(qiáng)度的提高并不能通過(guò)提高硬度的方法。因?yàn)槁菟〞?huì)引起較大的應(yīng)力集中，對(duì)于沒(méi)有應(yīng)力集中的樣品提高硬度是能提高其疲勞強(qiáng)度的。

硬度能反應(yīng)金屬材料局部的強(qiáng)度大小，材料表面的應(yīng)力集中會(huì)降低其表面強(qiáng)度，在受到交變的動(dòng)載荷時(shí)，在應(yīng)力集中部位不斷發(fā)生微變形和恢復(fù)的過(guò)程，而且其受到的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)應(yīng)力集中的部位，從而容易導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生。

2.3 組織結(jié)構(gòu)的改善和表面處理對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

蘇大任［8］研究了球墨鑄鐵柴油機(jī)曲軸的疲勞強(qiáng)度，通過(guò)正火和等溫淬火使得球墨鑄鐵的內(nèi)部組織得到調(diào)整，表面熱處理改善了材料的表面質(zhì)量，提高球墨鑄鐵的疲勞強(qiáng)度。疲勞裂紋是在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的，材料組織結(jié)構(gòu)的調(diào)整，晶粒的細(xì)化都能有效阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。

段啟強(qiáng)等［9］在研究多晶銅的駐留滑移帶時(shí)，發(fā)現(xiàn)駐留滑移帶的滑移會(huì)受到大角度晶界的阻礙，它們之間發(fā)生著交互作用，駐留滑移帶在滑移過(guò)程中不斷撞擊晶界和孿晶界，容易在晶界處產(chǎn)生較大的正應(yīng)力，從而導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生，并且裂紋沿著晶界和穿過(guò)晶體擴(kuò)展。但是裂紋在晶界處萌生，需在較長(zhǎng)距離的滑移才能產(chǎn)生［10］。因此熱處理，細(xì)化晶粒，縮短晶界距離能阻止疲勞裂紋的產(chǎn)生;在材料內(nèi)部如果存在一定量的晶須或第二項(xiàng)顆粒，這些加入的相便可以在一定程度上阻止駐留滑移帶的滑移，從而阻止了微觀裂紋的萌生和擴(kuò)展。

2.4 材料組織的協(xié)調(diào)性能對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

賴運(yùn)金等［11］研究了高周疲勞下的 TA15鈦合金，通過(guò)不同的熱處理制度獲得了具有不同含量的初生α相的鈦合金，高含量的初生α相其疲勞性能較好。由于初生α相的相互協(xié)調(diào)性好，在變形過(guò)程中該相能夠隨著與之相接處的組織變形而變形，難以產(chǎn)生組織缺陷，故不易產(chǎn)生微裂紋。因此通過(guò)熱處理提高具有良好協(xié)調(diào)性能組織的含量可以提高材料的疲勞性能。合理控制晶粒尺寸也能獲得良好的相互協(xié)調(diào)性［11－12］。

3 熱處理對(duì)材料疲勞裂紋的修復(fù)

有研究表面，塑性變形能夠減少疲勞裂紋的生長(zhǎng)率，這與裂紋尖端的殘余壓力有關(guān)［13］，這雖然在一定程度上能夠延長(zhǎng)材料的使用壽命，但是這也難以滿足高壽命的要求。對(duì)于已產(chǎn)生疲勞裂紋的零件進(jìn)行裂紋修復(fù)，熱處理修復(fù)能使其使用壽命成倍增長(zhǎng)。近幾年來(lái)越來(lái)越多的研究者在從事裂紋修復(fù)的研究，其中疲勞裂紋的修復(fù)占據(jù)了很重要的地位。高密度位錯(cuò)的駐留滑移帶是應(yīng)力集中的多發(fā)地帶，由于晶界、孿晶界與駐留滑移帶之間發(fā)生的交互作用使得滯留滑移帶成為疲勞裂紋的主要萌生點(diǎn)。李明揚(yáng)、朱榮等［14－15］研究了單晶體銅在疲勞過(guò)程中形成的滯留滑移帶在退火下會(huì)逐漸消失。這一發(fā)現(xiàn)有利于通過(guò)熱處理來(lái)修復(fù)材料的疲勞。近10年來(lái)，許多研究者在從事裂紋的修復(fù)這項(xiàng)研究中得出的一個(gè)共同點(diǎn)，就是通過(guò)熱處理來(lái)修復(fù)裂紋是最有效的、最經(jīng)濟(jì)的途徑。目前普遍認(rèn)同的裂紋修復(fù)模型是原子擴(kuò)散模型，而在鋼的裂紋修復(fù)中，充當(dāng)擴(kuò)散主角的是Fe和 Cr兩種原子［16］。

通過(guò)熱處理修復(fù)裂紋進(jìn)行的過(guò)程中，涉及到許多影響裂紋修復(fù)的因素，包括熱處理溫度、保溫時(shí)間、熱處理氣氛、化學(xué)成分［17］等。沈陽(yáng)大學(xué)郭廷良［18］采用回火方式對(duì)產(chǎn)生疲勞的45號(hào)鋼進(jìn)行疲勞修復(fù)(在疲勞壽命的40%左右進(jìn)行修復(fù)，處于裂紋萌生壽命內(nèi))，提出了回火溫度具有“閾值”性，要使45號(hào)鋼累積疲勞壽命達(dá)到最高，只有在回火溫度與“閾值”相符合時(shí)才能達(dá)到。北京科技大學(xué)韋東斌［19］在研究金屬材料內(nèi)部裂紋愈合規(guī)律中，通過(guò)熱處理分別對(duì)亞共析鋼、過(guò)共析鋼等預(yù)制了裂紋的金屬材料進(jìn)行了裂紋愈合研究，熱處理溫度皆處于再結(jié)晶溫度左右，且熱處理后試件的裂紋都出現(xiàn)了修復(fù)的趨勢(shì)。筆者認(rèn)為，熱處理溫度是影響疲勞裂紋修復(fù)的關(guān)鍵因素，在材料處于裂紋萌生壽命以內(nèi)，采用溫度低于A1的回火，可以恢復(fù)原有的疲勞性能。當(dāng)裂紋進(jìn)入擴(kuò)展階段，此時(shí)采用回火對(duì)裂紋修復(fù)的影響不大，應(yīng)采用退火來(lái)修復(fù)，退火溫度應(yīng)處于金屬再結(jié)晶溫度左右，這一修復(fù)過(guò)程與再結(jié)晶有關(guān)。

材料內(nèi)部產(chǎn)生微觀裂紋后，通過(guò)熱處理修復(fù)后的修復(fù)組織與基體組織存在一定的差異［17，19］。在修復(fù)組織中原先連續(xù)的裂紋處存在一系列細(xì)小的孔洞［19］，這些孔洞能成為新的內(nèi)部應(yīng)力集中點(diǎn)而降低疲勞性能。筆者認(rèn)為修復(fù)組織與基體組織差異的存在決定了疲勞裂紋只能進(jìn)行有限次的修復(fù)。

4 結(jié)論

1)疲勞裂紋總是萌生于材料中最薄弱的部分，零件因?yàn)楸砻婊虼伪砻娴娜毕萑菀桩a(chǎn)生裂紋，材料內(nèi)部裂紋容易產(chǎn)生于駐留滑移帶、晶界、表面夾雜物或者第二相顆粒、空洞處，因?yàn)檫@些位置容易導(dǎo)致應(yīng)力集中。

2)熱處理對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的影響較大，在熱處理過(guò)程中，要根據(jù)材料的使用性能來(lái)具體確定熱處理工藝。熱處理中降低材料疲勞性能的常見(jiàn)問(wèn)題是脫碳，采用真空熱處理是很好的解決方法。細(xì)化晶粒、增加晶須或第二相顆粒來(lái)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和通過(guò)熱處理提高良好協(xié)調(diào)性組織的含量可以提高材料的疲勞性能。

3)熱處理是修復(fù)疲勞裂紋的有效途徑，裂紋的修復(fù)目前普遍接受的模型是原子擴(kuò)散模型。裂紋萌生壽命以內(nèi)的微小疲勞裂紋，選擇適當(dāng)?shù)臏囟然鼗鹩兄谛迯?fù)其疲勞損傷而提高疲勞壽命。當(dāng)裂紋進(jìn)入擴(kuò)展階段，此時(shí)需采用更高溫度的退火來(lái)進(jìn)行修復(fù)，這一修復(fù)與再結(jié)晶過(guò)程有關(guān)。因?yàn)樾迯?fù)組織與基體組織存在差異，疲勞裂紋只能進(jìn)行有限次的修復(fù)。

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