为什么表面硬化可以提高材料的疲劳强度？
科技
2024-11-20 07:45
上海
耐磨、耐压痕是金属非常重要的属性，在决定选择哪种金属时，硬度是一个重要的考虑因素。为保证金属制品的硬度合适，往往会采用表面硬化工艺，改变表面硬度。表面硬化是指通过适当的方法使金属零件表层硬化，但芯部仍保有强韧性的处理方法。通过表面硬化，可以显著改善零件的耐磨性以及耐疲劳性淬火是将金属加热到非常高的温度，然后快速冷却，通常是将材料浸入油或水中，或暴露在冷空气流中。快速冷却“锁定”了材料加热时发生的微观结构变化，导致零件具有极高的硬度。淬火工艺成本低，工艺简单灵活，已在现代机械制造工业得到广泛的应用。机械中的重要零件，尤其在汽车、飞机、火箭中应用的钢件几乎都经过淬火处理。对于碳含量足够的钢或铁淬火效果明显。若含碳量较低，可进行氮化、渗碳等其他步骤。
氮化处理是指在一定温度和介质中使氮原子渗入金属表层的化学热处理工艺。氮化通常在氮化炉中进行，使其表面形成一层硬度很高又耐腐蚀的氮化物。氮化工艺最大的特点是热处理变形小，硬化层浅，适用于在周期载荷下工作的零件，比如轴等。相比于淬火减少了变形几率。将含碳量较低的钢制零件在渗碳介质中加热，使碳原子渗入表面，再经淬火之后，表层含碳量增加，硬度也随之变高。渗碳主要用于承受磨损、弯曲应力和冲击载荷的零件，如轴、齿轮、凸轮轴等。这些零件要求表面要有很高的硬度，同时芯部兼顾足够的强度与韧性。金属在表面硬化处理后，产生耐磨表面，大大提高了零件的耐磨性以及耐疲劳性。同时保留软芯，使其具有良好的韧性和强度，对冲击载荷有良好的抵抗作用。疲劳裂纹最常见的形核原因主要有三种，如上图所示。一是材料表面滑移位错，另外两种是材料内部缺陷引起的，比如内部异物夹杂，晶粒边界间隙（如缩孔）等。今天我们讨论表面硬化对疲劳强度的影响，假定材料没有缺陷，因此滑移位错是要重点考虑的。当材料受到外力作用后，在微观尺度上会发生滑移，滑移带通过相互滑动产生挤出和侵入，如下图所示，这些滑移带以及挤出和侵入的相邻区域就充当了应力集中点，裂纹在此起源并发展。由于剪切应力占主导地位，裂纹通常以 45° 角的方向出现并拓展。处在零部件表面的晶粒相比内部的晶粒由于缺少周围晶粒的支撑，因而更容易较早的形成缺陷。当我们对零部件做了表面硬化以后，大大提高了材料表面的硬度，而硬度又和金属的强度直接相关。硬度的增加意味着其抵抗塑性变形的能力增加了。与不进行硬化处理的软质材料相比，硬化后的材料产生滑移位错运动的可能性相对较低，如果观察显微照片就会发现硬化表面上基本观察不到比较明显的挤压或侵入，因而金属表面也就没有了由于滑移位错带来的应力集中，裂纹萌生的可能性也就大大降低了。这就是为什么表面硬化可以提高材料疲劳强度的主要原因。当然还有一个次要原因，材料表面经过淬火硬化后通常能够在表面形成残余压应力，这种压缩残余应力也有助于抵抗疲劳裂纹的萌生和扩展，从而提高材料的疲劳寿命。
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