残余应力对碳氮共渗低碳钢的疲劳失效的影响..doc

残余应力对碳氮共渗低碳钢的疲劳失效的影响 C. Kanchanomai 和 W. Limtrakarn （2007年4月19日提交；2007年12月10号以修订形式提交） 摘要：残余应力对疲劳行为及碳氮共渗后的AISI 1015钢在作用机制单轴循环载荷下的实验研究。通过逐步去除薄的表面层使表面残余压应力约为900MPa，运用电解抛光技术和随后的用X射线衍射技术测量残余应力。应力向中心降低，并成为约为20MPa的稳定的拉伸残余应力。由于存在残余压应力层，碳氮AISI 1015钢的耐疲劳性比AISI 1015钢的高。有和没有碳氮共渗的AISI 1015钢的疲劳极限分别为340MPa和300MPa。表面下裂纹发生于核心接口，从表面向下大概400μm。随着应力循环次数的增多，表面下裂纹通过层有序的整合与传播。在一些孕育周期之后，表面下裂纹变成了样本，并且变成了主要裂纹。在这个阶段中，应力增加，并导致核心材料中空隙的形成。因此，裂纹通过核心材料和空隙传播，引起完全断裂。 关键词：AISI 1015钢；碳氮共渗；疲劳；低碳钢；残余应力 1 引言 由于安全，经济，以及环境的原因，已经花费巨大的努力去延长机械零件和结构的使用寿命。为了满足这些要求，各种表面改性技术已经成为主要的研究方向，因为他们可以提供卓越的如此高强度的表面性能，热屏障，耐腐蚀、耐疲劳性能的结构材料。对于高合金钢，在各种热化学热处理（参考文献 1-5）的性能报道后疲劳抗性增加，但是对于低碳钢只有少数的研究。由于低碳钢良好的延展性与断裂任性,各种加工过程可以预制缺陷较少。随着修改强度，耐腐蚀，耐磨损，磨损电阻和低碳钢的疲劳性能热化学热处理能力的改变，零件表面性能经过加工可以提高并应用与工程，如齿轮，油泵，导向杆（参考文献5）。 我们已经知道拉伸平均应力会降低疲劳电阻，而平均压应力提高耐疲劳性。压缩平均应力往往可以通过残余应力来实现的，即，压力保持从以前工作中的一部分。采用热化学反应热处理，表面或情况变得更硬和残余应力达到屈服强度，而拉伸残余应力发生在核心保持力平衡的部分。因为材料在弯曲旋转，所以施加的最大拉伸应力在外表面。应力减小，并且变成零在中性轴。用热化学热处理导论，表面裂纹的形成可以推迟在表面残余压应力的形成；因此该部分的旋转弯曲疲劳性能明显改善。不像在旋转弯曲的材料，拉伸应力条件下材料的循环加载不会随着以表面的距离增加而减少。运用热化学热处理理论，所施加的拉伸应力可以在核心处叠加形成残余应力，从而导致表面裂纹扩展。改善单周循环加载下部位的疲劳是用化学热处理，是因为其强度低于旋转弯曲（参考文献6,7）。 法尔范等人研究了渗碳AISI8620钢硬质层厚度对低周期和高周期疲劳性能的旋转弯曲实验。（参考文献8）。他们发现，在较大深度情况下的疲劳强度越高和脆性断裂组合机制发生在核心的硬质层。Karadog和Stephens（参考文献9）已经进行了高强度平均应力疲劳实验为0.8和0.9R比对无缺口SAE1045钢的单轴疲劳与标本各种硬度水平（10,37,50RC）。在高R值时，基于最大应力疲劳强度显著高于在低R值。循环蠕变和棘轮效应是对于的所有三个硬度级别，但是，RC=10和37有着显著的更多的循环蠕变和棘轮比RC=50。RC=10和37断裂方式单调并且循环标本最终是杯锥装最终断裂，在内部微孔聚结（韧窝断裂）少量的微裂纹占主导地位。该RC=50的循环标本脆性断裂的方式涉及较少的循环蠕变和棘轮。在采用四点弯曲实验中，例如McEvily等。（参考文献10）发现渗碳AISI9310钢的裂纹在以下情况：由于单调循环加载和错配的径向拉应力界面产生核心材料的变形。（参考文献11）发现，在离子渗氮AISI4140钢的裂纹从形成鱼眼夹杂循环加载标志上的断裂面，以及疲劳寿命的旋转弯曲疲劳试验在改进的情况下，增加深度。 作为气体渗碳的改进，碳氮共渗是在气体渗碳的过程中加入氨，即碳和氮就被引入到钢中。它可以用于低碳钢低温下进行较短时间的渗碳处理，因此它获得类似的硬度用更少的吸收处理（参考文献5）。该低碳钢的硬度和摩擦学性能均优于没有经过任何处理的低碳钢和只经过渗碳处理过的（参考文献12）。即使低碳钢碳氮共渗已经应用于工程当中，但是只有很少数的工作可以被处理由于其疲劳和机械性能，特别是在单轴循环加载中。这是目前研究的目标，碳氮共渗低碳钢在单轴循环载荷下的疲劳失效。残余应力的影响对疲劳寿命进行了评估，并且周后进行了关于机械疲劳的讨论 2 材料和实验过程从热轧板低碳钢，疲劳试样切割和加工用的数控铣床。试样的配置，这是根据ASTM e466-96设计（参考文献13）,如图1。为了避免由于并发症滚动效果对疲劳性能的影响，纵向轴线的方向试样在平行钢板的轧制方向。碳氮共渗工艺进行预热到870度试样在一个热气体中保持3