CN112881207B - 一种渗碳钢超高周疲劳性能的评价方法 - Google Patents

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Abstract

一种渗碳钢超高周疲劳性能的评价方法，属于材料疲劳性能评价方法领域。该方法具体步骤包括：根据材料应用目标的渗碳层特征要求，通过渗碳工艺调整，分别获得渗碳层、过渡层和基体层组织状态的模拟试样，利用超声波疲劳测试设备，分别对不同组织状态的试样进行升降法疲劳性能评价，获得疲劳极限S‑N曲线，通过对比分析，不同组试样的最小值即可认为是该渗碳钢的安全疲劳极限。该方法采用超声波测试方法进行疲劳测试，可进行107周次以上，如109、1010超高周次的渗碳钢疲劳性能评价，相比旋转弯曲疲劳，可缩短评价时间95％以上。该方法可推广应用于不同材料体系如铝合金、钛合金等，也可用于其他非均匀组织状态的材料疲劳性能评价。

Description

一种渗碳钢超高周疲劳性能的评价方法
技术领域
本发明属于渗碳钢性能评价领域，特别是一种渗碳钢超高周疲劳性能的评价方法，可对渗碳钢等非均匀组织进行超高周疲劳性能评价。
背景技术
承受周期载荷的工件往往会发生疲劳失效，导致工件或装备无法正常工作，因此在工件设计和制造时必须要考虑选用材料的疲劳性能，评估材料的疲劳极限也成为结构件用钢应用的必要环节。目前广泛采用的材料疲劳评价方式包括旋转弯曲疲劳、滚动接触疲劳等方式，评价107周次条件下的高周疲劳极限，即认为材料达到无限寿命。而近几年的研究表明，材料在低于高周疲劳极限的应力水平下循环较高周次也会发生疲劳失效，也即超高周疲劳现象。因此，评价材料的超高周疲劳性能成为结构钢的研究热点。
表面渗碳是结构用钢常用的表面处理方式，例如齿轮零件，通过表面渗碳获得较高的表面硬度，提高疲劳性能，延长零件使用寿命。随着车辆装备运行里程的提高，传动系统齿轮、轴承等工件的循环周次也大幅度提升，常规的107周次高周疲劳检测已无法提供可靠保障，需要对109以上更高周次疲劳性能进行评价。研究指出，齿轮、轴承等渗碳零件承受周期性弯曲载荷，其疲劳失效多发生在渗碳层与未渗碳层的过度区域，该区域的硬度较表面低，而承受的载荷相对较大，易因夹杂物等启裂源而失效。目前，渗碳钢通常采用旋转弯曲疲劳方式进行弯曲疲劳性能评价，该方法与零件的实际工作状态较为接近，渗碳试样与零件具有相同的渗层结构，疲劳失效模式也较为相似。但是，旋弯疲劳的加载频率通常为50-200Hz，对一个试样进行109周次疲劳性能评价需要1000小时以上，周期较长，不具有可行性，因此，关于渗碳钢109周次以上超高周疲劳性能目前仍无法进行有效的评价。同时，由于旋弯疲劳试验时试样直径不同部位处所加应力不一样，表面应力最大，因而常在表面或次表面发生疲劳启裂。近年来兴起的超声波疲劳测试技术，加载频率可以稳定达到20KHz，进行109周次疲劳性能评价只需要约15小时，成为均质材料超高周疲劳性能评价的理想方式。然而，渗碳钢为非均匀材料，其表面渗碳后硬度较高，而心部强度较低，超声波疲劳采用拉压加载方式，无法准确评估渗碳钢的疲劳性能。因此，仍需要寻找合适的方法进行渗碳钢的超高周疲劳评价。
发明内容
本发明的目的在于提供一种渗碳钢超高周疲劳性能的评价方法，该方法采用超声波疲劳测试，可测试109周次以上超高周疲劳性能，测试单个试样的109周次疲劳性能的时间约15小时，与旋转弯曲疲劳试验方法相比可缩短95％以上的测试时间，具有效率高、测试周期短、可靠性好等特点，同时更能反映渗碳试样随机启裂的特征。
渗碳钢经过渗碳后，通常表面硬度较高，而心部硬度较软。渗碳零件在服役过程中，通常承受周期性弯曲载荷，试样疲劳失效可能发生在表面的渗碳层、过渡层或心部的基体区域。而超声波疲劳为拉压疲劳，如采用旋弯疲劳相同的试样，则与零件的服役过程应力分布差距较大，不具有代表性。因此，本发明方法基于渗碳钢的材料组织和服役特征，采用对渗碳层、过渡层、心部区域分别进行评价的方式来表征渗碳钢的超高周疲劳性能。具体工艺步骤及控制的技术参数如下：
(1)根据测试试样尺寸要求在材料上切取疲劳试样毛坯；
(2)根据材料应用时的渗碳层特征要求，通过渗碳工艺调整模拟不同区域的渗碳组织，经过淬火和回火后获得模拟渗碳层试样、模拟过渡层试样和模拟基体层试样；
(3)对步骤(2)试样进行矫直和表面精整，获得符合要求的疲劳试样(典型尺寸要求如图1所示)；
(4)根据测试要求，采用超声波疲劳试验机对步骤(3)不同组试样进行超高周疲劳测试，通过升降法测试，获得S-N曲线和疲劳极限；
(5)通过对比模拟渗碳层试样、模拟过渡层试样、模拟基体试样的疲劳试验结果，选取最小值，即可作为目标渗碳钢的疲劳极限。
本发明在实施过程中，为了获得准确的试验结果，应注意如下要求：
(1)钢铁材料在渗碳和后续的热处理过程中会产生变形，需要进行矫直和表面精整，为了使疲劳试样满足组织状态设计和尺寸要求，在步骤(1)中，需要根据超声波疲劳试验的试样要求，在切取毛坯试样时预留加工余量，加工余量可根据试验钢的淬火变形量进行设计，通常预留0.1-0.3mm；
(2)本发明的关键在于试样的组织获得，因此在步骤(2)中，需要根据材料应用目标的零件要求对试样进行渗碳处理，通过调整渗碳的温度、碳势、时间等参数，获得不同的渗碳层深度，分别模拟渗碳零件的渗碳层、过度层和基体层的组织状态，具体方法如下：
模拟渗碳层组织的试样采用全渗透方式，即通过延长渗碳时间，使试样工作段的横截面碳含量保持一致，硬度均匀分布，与该材料的应用目标表面状态一致。
模拟过渡层组织的试样采用与该材料的应用目标相同的渗碳工艺，获得相同的渗层深度，试样横截面的硬度分布与应用目标保持一致，模拟渗碳后应用目标的渗碳过渡层组织状态。
模拟基体层的试样采用与模拟过渡层相同的工艺，但是渗碳过程中做防渗处理，以获得与该材料应用目标相同的心部组织状态。
特别的，模拟过渡层试样也可采用模拟渗碳层试样的处理方式，通过调整渗碳工艺，获得工件不同渗层深度的硬度和组织状态。
(3)超声波疲劳试验为轴向拉压疲劳，加载频率较高，对试样的加工精度要求较高，需要对渗碳后的试样进行矫直和精加工，获得超声波疲劳试样；在步骤(3)中，进行表面精加工时须沿试样轴向进行表面抛光处理，消除加工刀痕，避免表面缺陷的形成，影响疲劳测试结果。
(4)本发明采用超声波疲劳试验机对不同组织状态的试样进行超高周疲劳性能评价，加载频率为20KHz，速度较块，因此，适用于107周次以上的超高周疲劳性能测试，例如1×109、5×109、1×1010周次等。
(5)超声波测试过程中试样会因高频振荡而发热，影响测试结果。因此，在测试过程中需采用高压气体对试样进行冷却，避免试样因发热烧毁。如气体冷却不能满足要求，可采用间隔式加载方式，即加载一段时间后暂停一段时间，如此往复，直到试样失效或达到设定测试截止周期后停止。间隔式加载与暂停时间比例通常为1：1，在高应力状态下，试样发热严重，可采用1：2或其他比例。
(6)为保证测试结果的准确性，每组试样测试时，需采用升降法获得试样的疲劳极限，同时在疲劳极限以上较高应力水平下进行测试，通过数据拟合获得试样的S-N曲线；每组试样至少需要20个试样以获得完整疲劳S-N曲线。
本发明采用超声波测试方法进行疲劳测试，可进行107周次以上，如109、1010超高周次的渗碳钢疲劳性能评价，相比旋转弯曲疲劳，可缩短评价时间95％以上。可推广应用于不同材料体系如铝合金、钛合金等，均可采用本发明进行疲劳性能，特别是超高周疲劳性能评价。
附图说明
图1为超声波疲劳试样示意图。
图2为实施例中三组试样渗碳后硬度分布图。
图3为实施例中渗碳层试样疲劳性能一种评价结果图。
图4为实施例中渗碳层试样疲劳性能另一种评价结果图。
图5为实施例中过渡层试样疲劳性能一种评价结果图。
图6为实施例中过渡层试样疲劳性能另一种评价结果图。
图7为实施例中基体层试样疲劳性能一种评价结果图。
图8为实施例中基体层试样疲劳性能另一种评价结果图。
具体实施方式
本发明渗碳钢超高周疲劳性能评价方法采用超声波疲劳试验机进行，试样采用标准超声波疲劳试样尺寸，常用的试样尺寸见图1所示，其工作段为3mm。
与旋弯疲劳测试方法相比，本测试方法可对109周次以上的超高周次疲劳性能进行快速评价，节约测试时间95％以上。
实施例
以高铁齿轮用18CrNiMo7-6渗碳钢为例进行说明，其他渗碳钢的评价方法与其相似，可参照执行。
材料准备：根据图1所示试样尺寸加工疲劳毛坯试样，工作段留单边各0.2mm加工余量，以便后续精加工。
渗碳处理：渗碳剂为丙烷和稀释剂甲醇，保护气体为氮气，渗碳过程包括强渗、扩散、淬火、回火等过程。不同试样的渗碳工艺有所不同，渗碳后试样的硬度分布如图2所示。
(1)渗碳层试样：试样渗碳温度930℃，先在1.1％碳势下进行12小时强渗，随后在0.85％碳势下进行12小时扩散渗碳，完成后空冷至室温，然后在650℃下高温回火保温3h，空冷到室温后进行淬火，淬火温度为860℃，保温1h后油冷至室温，随后进行低温回火，回火温度为180℃，保温2h后空冷至室温。
(2)过渡层试样：试样渗碳温度为930℃，先在1.20％碳势下进行6.5小时强渗，随后在0.68％碳势下进行6小时扩散渗碳，完成后空冷至室温，然后在650℃下高温回火保温3h，空冷到室温后进行淬火，淬火温度为860℃，保温1h后油冷至室温，随后进行低温回火，回火温度为180℃，保温2h后空冷至室温。
(3)基体层试样：基体层试样的渗碳工艺和后续热处理工艺与过渡层试样相同，只是在试样表面进行防渗处理，即伪渗碳。伪渗碳后试样成分与原材料成分保持一致。
试样精加工：渗碳后的试样根据图1所示尺寸进行精加工，获得最终试样尺寸，特别的，试样工作段表面应沿试样轴向进行表面抛光处理以消除精加工产生的加工刀痕。
疲劳性能评价：采用超声波疲劳试验机对试样进行超高周疲劳性能评价，加载频率为20KHz，采用间隔式加载方式，加载150ms后暂停150ms，如此循环，期间采用高压氮气吹扫冷却，直至试样失效或循环至109周次截止。根据国标采用升降法测量试样的疲劳极限，渗碳层试样的疲劳性能曲线如图3、图4所示，过渡层试样的疲劳性能曲线如图5、图6所示，基体层试样的疲劳性能曲线如图7、图8所示。
确定试验钢的疲劳极限：渗碳层试样、过渡层试样、基体试样的疲劳极限评价结果如表1所示，可知三组试样在109周次下的疲劳极限分别为606、530和533MPa。由此可知，实施例采用的18CrNiMo7-6渗碳钢的109周次超高周疲劳极限为530MPa。
表1实施例中三组试样超高周疲劳极限评价结果
试样名称 超高周疲劳极限/MPa
渗碳层试样 606
过渡层试样 530
基体层试样 533

Claims (5)

1.一种渗碳钢超高周疲劳性能的评价方法，其操作步骤为：
(1)在材料上切取疲劳试样毛坯；在切取毛坯试样时根据试验钢的淬火变形量预留加工余量0.1-0.3mm；
(2)通过渗碳工艺调整模拟不同区域的渗碳组织，经过淬火和回火后获得模拟渗碳层试样、模拟过渡层试样和模拟基体层试样；
(3)对步骤(2)获得的试样进行矫直和表面精整，获得符合要求的疲劳试样；
(4)采用超声波疲劳试验机对步骤(3)不同组试样进行超高周疲劳测试，通过升降法测试，获得S-N曲线和疲劳极限；
(5)通过对比模拟渗碳层试样、模拟过渡层试样、模拟基体试样的疲劳试验结果，选取最小值，作为目标渗碳钢的疲劳极限；
在步骤(2)中，根据对试样进行渗碳处理，通过调整渗碳的温度、碳势、时间参数，获得不同的渗碳层深度，分别模拟渗碳零件的渗碳层、过度层和基体层的组织状态，具体方法如下：
模拟渗碳层组织的试样采用全渗透方式，即通过延长渗碳时间，使试样工作段的横截面碳含量保持一致，硬度均匀分布，与该材料的应用目标表面状态一致；
模拟过渡层组织的试样采用与该材料的应用目标相同的渗碳工艺，获得相同的渗层深度，试样横截面的硬度分布与应用目标保持一致，模拟渗碳后应用目标的渗碳过渡层组织状态；
模拟基体层的试样采用与模拟过渡层相同的工艺，渗碳过程中做防渗处理，以获得与该材料应用目标相同的心部组织状态；
模拟过渡层试样采用模拟渗碳层试样的处理方式，通过调整渗碳工艺，获得工件不同渗层深度的硬度和组织状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(3)中，进行表面精整时须沿试样轴向进行表面抛光处理，消除加工刀痕。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，测试时采用高压气体对试样进行冷却，避免试样因发热烧毁；当气体冷却不能满足要求，采用间隔式加载方式，加载与暂停时间比例为1：1，在高应力状态下，试样发热严重，采用1：2。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：1所述的方法，其特征在于：在步骤(4)测试时每组试样至少需要20个试样。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：1所述的方法，其特征在于：能应用至其他非均匀组织的材料体系：渗氮钢、铝合金或钛合金。
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