采用旋轉(zhuǎn)彎曲加載方式測試了32Cr3MoVE滲氮軸承鋼的疲勞性能,通過掃描電鏡、X射線衍射、顯微硬度計及X射線應(yīng)力儀分析了滲氮層的組織特征和殘余應(yīng)力分布以及疲勞斷裂的原因。結(jié)果表明:滲氮層析出的γ′-Fe₄N、CrN、Fe₃N等氮化物提高了試驗鋼的表面硬度,并形成了先增大后減小的殘余壓應(yīng)力分布,在距表面300μm處殘余壓應(yīng)力高達610 MPa,顯著減小了試樣次表面承受的循環(huán)拉應(yīng)力,使得疲勞裂紋萌生起源于近表面以及距試樣表面600～700μm較遠的區(qū)域;滲氮處理顯著提高了試驗鋼的疲勞性能,中值疲勞強度達到974 MPa。疲勞裂紋萌生于表面化合物層和內(nèi)部非金屬夾雜物,各占41.2%和58.8%;裂紋沿著化合物層、擴散層及基體依次擴展,最后在試樣基體瞬斷。擴散層部分呈現(xiàn)沿晶斷裂和準解理斷裂混合斷裂形式,滲氮層和基體交界處呈現(xiàn)一段光滑過渡區(qū)。 

【文章來源】：材料熱處理學報. 2020,41(06)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

斷口夾雜物形成的“魚眼”

圖6 斷口夾雜物形成的“魚眼”32Cr3MoVE滲氮軸承鋼疲勞疲勞裂紋萌生后會先沿著滲氮層快速擴展,斷裂的滲氮層都會呈現(xiàn)出兩個具有不同形貌的區(qū)域,如圖8(a)所示。由于擴散層中含有較多的硬脆氮化物,導(dǎo)致裂紋擴展速度快,在擴散層靠近基體附近區(qū)域,鋼的硬度下降,氮化物數(shù)量減少,主要組織為VC碳化物與索氏體基體,韌性較好,裂紋在此處向內(nèi)部擴展速度變慢。所以在觀察到內(nèi)部基體典型準解理斷裂形貌之前,會有一個平滑的過渡區(qū)延伸到擴散層的末端,這條平滑的過渡帶寬約70 μm。在距表面化合物層為200～300 μm的擴散層呈顆粒狀,為沿晶斷裂和準解理斷裂混合斷裂;擴散層中合金元素和氮原子在部分原奧氏體晶界偏聚形成脈狀組織,使得疲勞裂紋優(yōu)先沿著晶界形核擴展,圖8(b)為其局部放大圖,可清晰看見斷口部分沿晶斷裂形貌。

32Cr3MoVE軸承鋼經(jīng)過離子滲氮形成的滲氮層分為化合物層(又稱白層)、擴散層以及在靠近基體的一側(cè)有一過渡層,如圖1(a)所示。擴散層中存在不連續(xù)分布的脈狀組織,脈狀組織與滲氮層表面平行,有時也會呈網(wǎng)狀。滲氮層的表面形成了0～12 μm厚的化合物層,它是由鐵和氮組成的金屬間化合物,如圖1(b)所示。圖1(c)為滲氮后過渡層的SEM形貌圖,其脈狀組織較擴散層細小,越靠近心部脈狀組織逐漸減少并消失。滲氮層析出相XRD衍射圖譜如圖1(d)所示,滲氮層的主要化合物有γ′-Fe4N、CrN以及Fe3N,提高了試驗鋼的硬度但導(dǎo)致其韌性降低。在滲氮過程中滲氮層及基體中析出微米級細小的VC強化相,一方面“釘扎”在奧氏體晶界,抑制晶粒長大;另一方面細小VC碳化物在具有較高韌性索氏體基體中均勻分布,VC碳化物具有彌散強化的作用,提高鋼的強度的同時保持基體較高的韌性。根據(jù)GB/T 11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》采用硬度法測得滲氮層硬度分布如圖2(a)所示,從試樣表面測至比基體維氏硬度值高50 HV的區(qū)域為滲氮層,滲氮層包括化合物層和擴散層,測得其厚度約為390 μm,其中化合物層厚度約12 μm,擴散層厚度約378 μm;維氏硬度從比基體高50 HV降低到基體硬度區(qū)域為過渡層,測得過渡層厚度約為110 μm。滲層的殘余應(yīng)力分布情況如圖2(b)所示,由圖可知,從滲層表面到內(nèi)部壓應(yīng)力呈現(xiàn)先增加后減少趨勢。滲氮過程中氮元素與合金元素形成的氮化物以及碳氮化合物溶于α-Fe中會引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化,使?jié)B氮層形成殘余壓應(yīng)力,滲層深度增加氮化物析出相減少,體積膨脹程度減小,壓應(yīng)力逐漸升高;當深度超過300 μm,析出相數(shù)量明顯降低,因此在300 μm處壓應(yīng)力達到最大值為610 MPa,滲層深度繼續(xù)增加析出相數(shù)量繼續(xù)減小,導(dǎo)致體積變化作用減弱,壓應(yīng)力逐漸降低;當深度達到甚至超過500 μm,壓應(yīng)力與拉應(yīng)力趨于平衡。在長時間的滲氮處理過程中,由于不連續(xù)的析出以及氮的偏析和擴散,使得表面殘余應(yīng)力得以部分緩解,導(dǎo)致表面殘余壓應(yīng)力降低,最外層壓應(yīng)力只有28 MPa。

【參考文獻】：
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本文編號：3321017