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真空熱處理工藝對(duì)彈簧鋼性能的影響
2024-08-16
利用光學(xué)金相學(xué)、掃描電鏡和疲勞試驗(yàn)研究了真空和空氣熱處理工藝對(duì)50CrVA彈簧鋼疲勞性能和組織的影響。結(jié)果表明，兩種熱處理工藝下材料的疲勞性能存在明顯差異，真空熱處理工藝的疲勞性能明顯優(yōu)于空氣熱處理工藝，中位疲勞極限提高了30.8%。兩種熱處理工藝的斷口宏觀和微觀形貌難以區(qū)分，明顯的區(qū)別是裂紋來源于表面的單一源頭，材料的表面狀態(tài)對(duì)疲勞壽命有很大影響。空氣熱處理工藝的吹砂過程使試樣表面產(chǎn)生微觀表面應(yīng)力集中，降低了疲勞性能。
彈簧鋼由于具有較高的強(qiáng)度、抗疲勞、抗彈性等性能，常用于制造減震、儲(chǔ)能、傳動(dòng)、支撐等零件，在飛機(jī)制造中起著重要作用。其中50CrVA彈簧鋼具有淬透性好、疲勞強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高等優(yōu)良性能，釩的加入使鋼的晶粒細(xì)化，降低過熱敏感性，提高強(qiáng)度，因此50CrVA彈簧鋼具有良好的力學(xué)性能和工藝性能，是一種較高牌號(hào)的彈簧鋼，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械。
真空熱處理作為提高熱處理質(zhì)量的手段，與空氣熱處理相比，具有不氧化、不脫碳、變形小、污染少等特點(diǎn)。空氣熱處理工藝要求零件熱處理后進(jìn)行吹砂工序，以清除氧化皮，而真空熱處理工藝則不需要吹砂工序。因此，兩種熱處理工藝對(duì)零件表面狀態(tài)的影響不同，從而可能導(dǎo)致疲勞性能的差異。
本次試驗(yàn)所選用的彈簧原材料為50CrVA，熱處理淬火溫度為850℃，回火溫度為385℃，熱處理完成后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。
疲勞試驗(yàn)：室溫高周疲勞，應(yīng)力比R=0.06.試樣應(yīng)力集中系數(shù)Kt=1.試驗(yàn)頻率為120±15 Hz。試驗(yàn)包括組法和吊法2部分。對(duì)試樣斷口進(jìn)行掃描，經(jīng)超聲波清洗后在掃描電鏡下觀察，拍攝宏觀斷口和微觀斷口，分析失效模式、裂紋源位置等。
真空熱處理工藝的影響
圖中給出了50CrVA光滑試件軸向拉伸高周疲勞應(yīng)力-壽命(SN)曲線，圖中列出了分組法和吊裝法的有效試驗(yàn)結(jié)果(圖右側(cè)的數(shù)字表示采用吊裝法時(shí)相應(yīng)強(qiáng)度下的試件數(shù)量)。
在同一載荷水平下，真空熱處理數(shù)據(jù)點(diǎn)基本全部位于空氣熱處理數(shù)據(jù)點(diǎn)的右側(cè)，說明真空熱處理的疲勞壽命較長。真空熱處理曲線一般位于空氣熱處理的上方，表示疲勞極限較高。因此可以看出真空爐熱處理試件的高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果明顯優(yōu)于空氣爐熱處理。50CrVA彈簧鋼空氣熱處理的疲勞極限中值為816.7 MPa，為材料屈服強(qiáng)度的50.4%;真空熱處理的疲勞極限中值為1067.9 MPa，為材料屈服強(qiáng)度的64.0%。二者對(duì)比可以看出真空熱處理的疲勞極限中值提高了251.2 MPa，提高了30.8%，改善效果顯著。
真空熱處理改善效果顯著
(1)采用真空熱處理工藝的50CrVA的室溫高周疲勞性能明顯優(yōu)于空氣熱處理工藝，真空熱處理的中位疲勞極限比空氣爐熱處理高30.8%;
(2)兩種熱處理工藝的斷口形貌無明顯區(qū)別，斷口表面均只有一個(gè)裂紋源，且裂紋起源于試樣表面，即裂紋源自表面單一源頭;
(3)材料表面狀態(tài)對(duì)疲勞裂紋壽命影響很大，空氣熱處理工藝的吹砂過程，除去了氧化皮，并在試樣表面形成劃痕、擦傷、銳利的溝槽或凹坑，造成表面粗糙度增大，且表面形成的不連續(xù)塑性變形，使表面材料性能分布不均勻，造成微觀表面應(yīng)力集中，降低疲勞性能。真空熱處理工藝不需要吹砂，表面狀態(tài)良好，疲勞性能較好。
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