层硬度残余应力及接触疲劳性能的研究

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1、第!&卷第@期沈阳工业大学学报OAD+!&PA+@!""#年#!月9AB/7CDAEFGH7IC7JK78>H/L8MIAE1HNG7ADAJIQHN+!""#文章编号：#"""$#@-@’!""#*"@$"-@&$"-对-"./钢表层硬度残余应力及接触疲劳性能的研究洪鹤###!##,孙家仲,马春艳,孟祥东,王佳华,朱荆璞（#+沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳##""!&；!+元宝山发电厂，辽宁赤峰"!-"%"）摘要：研究了表面淬火、离子氮化0表面淬火的复合热处理以及复合热处理0喷丸处理&种表面强化处理工艺对-"./钢的表层硬度残余应力分布

2、以及接触疲劳性能的影响+结果表明：经过复合热处理0喷丸工艺处理的-"./钢可获得最高的表层硬度和残余压应力，同时也表现出最为优异的接触疲劳性能+据此提出，高的表层硬度和残余压应力能够有效地抑制接触疲劳裂纹在试样表面的萌生和扩展，因而可大大提高-"./钢的接触疲劳寿命+关键词：复合热处理；喷丸；接触疲劳；残余应力裂纹萌生和扩展；疲劳寿命中图分类号：12##&+!)文献标识码：3表面处理对钢的耐磨性、耐弯曲疲劳性能的影却和润滑，油温控制在!);-)<+将运转#"%次而响，已有过许多研究，但关于其对钢的接触疲劳性未破坏时的接触应力作为条件接触疲劳强度+此

3、能方面的影响，则研究尚少，有关报道也不多4#$)5外，利用光学显微镜和扫描电子显微镜对接触疲劳+接触疲劳是齿轮、轴承、凸轮等基础构件的主断口形貌进行了观察和分析+要失效形式之一+由于接触疲劳失效问题复杂，影响因素繁多，因而对许多问题仍未获得明确认识+!实验结果与讨论故此，本文研究了几种表面处理工艺对-"./钢的接触疲劳行为的影响规律，以期为提高齿轮等类零件的质量、延长其使用寿命以及采用新工艺新技术诸方面提供理论依据+此外，还对接触疲劳断口形貌进行了观察，以确定出表面处理后-"./钢的接触疲劳断裂机理+#试验条件#+#试验用材料采用圆环形滚子试样，主

4、试样（上试样）材料为-"./钢，配偶试样（下试样）为!"./6718钢+试样图#接触疲劳试样的具体形状和尺寸如图#所示+!+#硬度分布#+!试样的表面处理-"./钢经&种表面处理工艺处理后，试样表主试样采用&种工艺处理，即高频淬火、离子层区域的硬度分布如图!所示+由图可见，经过复氮化0高频淬火的复合热处理以及复合热处理0合热处理或者复合热处理0喷丸处理的试样的表喷丸+配偶试样采用渗碳0淬火工艺进行处理+层硬度均高于单纯高频淬火者+试样经高频淬火#+&试验方法后，其表面的硬度最高，约为=>)""+随着距表面距对于经&种表面处理工艺处理的-"./钢试样

5、离的增加，硬度值逐渐降低，当层深超过"+%)??表层的硬度分布和残余应力分布进行了测定+在后，硬度变化趋于平缓，直至最终达到原-"./钢9:$#)""型接触疲劳试验机上进行接触疲劳性能的调质硬度+试验，采用加入添加剂的!"号机油对试样进行冷经过离子氮化0高频淬火的复合热处理后，收稿日期：!""#$"%$&"作者简介：洪鹤’#()"$*，女，辽宁沈阳人，沈阳工业大学工程师+万方数据!-!沈阳工业大学学报第+,卷最大硬度峰值则不是出现于试样表面，而是出现在理后再喷丸者，则由于通过喷丸工艺进一步引入了距离表面约"#"$%"#&’’处，且峰值硬度为()压应

6、力，所以表现出最大的残余压应力#*+"左右，而表面硬度仅为(),""%,+"，当层深达到"#-’’时，硬度变化趋于平缓，此时的硬度值在()!$"%.""范围#可以认为，在层深小于"#-’’的范围内所具有的高硬度是由于氮原子渗入后在高频淬火时形成了含氮马氏体所致#而试样表面之所以有很低的硬度值，则是由于高频淬火使表面氮化层出现疏松现象，以及表面层含氮量高而引起的/0点下降，并进而导致高频淬火后形成了较大量的残余奥氏体的缘故#图,表层残余应力分布+#,接触疲劳性能!"45钢经,种不同表面处理工艺处理后的接触疲劳性能实验结果如图!所示#图中每个点均为,个

7、试样所测结果的平均值#利用最小二乘法可求得相应的回归直线方程为高频淬火：67!8&&#.+9"#"&2,"’:;复合热处理：67!8&,#$29"#"+!,"’:;复合热处理1喷丸：67!8&&#+-9"#"&!""’:;最大接触赫兹应力"’:;可按如下公式求得图+表层硬度分布"#%&&%+"’:;8"#!&$%()复合热处理1喷丸处理后，可以获得最高的硬$%&%+度值，而且硬度峰出现于试样表面，其值可达()式中"为两弹性圆柱接触时的正应力；%&、%+$*"%2""#当层深超过"#.’’时，硬度变化以及分别为两弹性圆柱体的半径；$为接触长度；#为硬

8、度值则与复合热处理者趋于一致#可以认为，在弹性模量#"#.’’的层深范围内，经过复合热处理1喷丸的试样之所以较经复合热处理