。712* 北京科技大学学报 第33卷 多个位置.渗氮处理试样的疲劳裂纹起始于试样表 裂纹均起始于试样表面，否则分别起始于次表面氮 面的氧化物层，其疲劳破坏是由氧化物层破裂形成 化物层与N固溶层之间（图8(）)和内部组织 的缺口应力集中引起的（图8(b)).当分别去除表 (图8(d)).起始于组织的疲劳破坏，在裂纹起始位 面氧化物层和氮化物层后，大约在10°周次前，疲劳 置周围形成“鱼眼”特征（图8(e). 氧化物 100m 100am 50 um 裂纹萌生位置 504m 250am 图8疲劳裂纹萌生位置的SEM形貌.(a)未处理试样(o,=300MPa,N(=2.61×103周)：(b)渗氮试样(o.=590MPa,N=2.69×10周)： (c)去除氧化层渗氮试样(a.=620MPa,N=1.33×103周)：(d)去除氮化物层渗氮试样(g.=680MPa,N:=7.62×10周)：(e)去除氮化物 层渗氮试样，鱼眼（σ，=680MPa,N=7.62×10°周） Fig.8 SEM images obtained from rotating bending fatigue tests showing crack initiation:(a)untreated specimen (=300 MPa,N=2.61x105 cy- cles);(b)nitrided specimen (o =590 MPa,N=2.69 x 10 cycles):(c)nitrided specimen from which the oxide layer was removed (o =620 MPa, N=1.33 x 108 cycles):(d)nitrided specimen from which the oxide layer and nitride layer were removed (o =680 MPa,N=7.62 x 105 cycles): (e)nitrided specimen from which the oxide layer and nitride layer were removed,with a fish-eye area (=680 MPa,N=7.62x10 cye) 3讨论 800 作用应力 600 3.1试样表面层的合应力 400 图9为对渗氮处理试样加载后试样内的应力 200 合应力 屈服区 分布示意图.由于加载的弯曲应力幅范围 (≥580MPa)大于试验材料的循环屈服强度 -200 残余应力 (313MPa),因此距试样表面一定深度范围材料将 400-, 发生循环屈服，此时超出屈服强度的加载应力将由 -600% 500 1000150 2000 距试样表血的距离m 强度较高的N固溶层和氮化物层承担.这样，加载 的弯曲应力引起的材料表面层的内应力与残余压应 图9加载后渗氮处理试样内的应力分布示意图 力叠加后的合应力分布成为图中实线所示状态.由 Fig.9 Schematic diagram of stress distributions in nitrided 图9可知，试样表面氧化物层所受合应力最小，氮化 specimens under applied stress 物层所受合应力均值最高，N固溶层所受合应力均 将在疲劳过程的初期开裂，并导致环形缺口应力集 值居中 中，造成多起点疲劳裂纹扩展，使材料的疲劳强度和 3.2表面氧化物层的影响 寿命下降.当除去表面氧化物层后，缺口效应消失， 由于表面氧化物层由Fe0,和Fez03组成，其 具有高硬度的氮化物层的抗疲劳裂纹萌生的能力增 强度较低，在如图9所示的合应力作用下，氧化物层 强，使材料的疲劳强度和寿命有所提高.北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 多个位置． 渗氮处理试样的疲劳裂纹起始于试样表 面的氧化物层，其疲劳破坏是由氧化物层破裂形成 的缺口应力集中引起的( 图 8( b) ) ． 当分别去除表 面氧化物层和氮化物层后，大约在 106 周次前，疲劳 裂纹均起始于试样表面，否则分别起始于次表面氮 化物 层 与 N 固 溶 层 之 间 ( 图 8 ( c) ) 和 内 部 组 织 ( 图 8( d) ) ． 起始于组织的疲劳破坏，在裂纹起始位 置周围形成“鱼眼”特征( 图 8( e) ) ． 图 8 疲劳裂纹萌生位置的 SEM 形貌． ( a) 未处理试样( σa = 300 MPa，Nf = 2. 61 × 105周) ; ( b) 渗氮试样( σa = 590 MPa，Nf = 2. 69 × 104周) ; ( c) 去除氧化层渗氮试样( σa = 620 MPa，Nf = 1. 33 × 108周) ; ( d) 去除氮化物层渗氮试样( σa = 680 MPa，Nf = 7. 62 × 106周) ; ( e) 去除氮化物 层渗氮试样，鱼眼( σa = 680 MPa，Nf = 7. 62 × 106周) Fig． 8 SEM images obtained from rotating bending fatigue tests showing crack initiation: ( a) untreated specimen ( σa = 300 MPa，Nf = 2. 61 × 105 cy￾cles) ; ( b) nitrided specimen ( σa = 590 MPa，Nf = 2. 69 × 104 cycles) ; ( c) nitrided specimen from which the oxide layer was removed ( σa = 620 MPa， Nf = 1. 33 × 108 cycles) ; ( d) nitrided specimen from which the oxide layer and nitride layer were removed ( σa = 680 MPa，Nf = 7. 62 × 106 cycles) ; ( e) nitrided specimen from which the oxide layer and nitride layer were removed，with a fish-eye area ( σa = 680 MPa，Nf = 7. 62 × 106 cyc) 3 讨论 3. 1 试样表面层的合应力 图 9 为对渗氮处理试样加载后试样内的应力 分 布 示 意 图． 由于加载的弯曲应力幅范围 ( ≥580 MPa) 大于试验材料的循环屈服强度 ( 313 MPa) ，因此距试样表面一定深度范围材料将 发生循环屈服，此时超出屈服强度的加载应力将由 强度较高的 N 固溶层和氮化物层承担． 这样，加载 的弯曲应力引起的材料表面层的内应力与残余压应 力叠加后的合应力分布成为图中实线所示状态． 由 图 9 可知，试样表面氧化物层所受合应力最小，氮化 物层所受合应力均值最高，N 固溶层所受合应力均 值居中． 3. 2 表面氧化物层的影响 由于表面氧化物层由 Fe3O4 和 Fe2O3 组成，其 强度较低，在如图 9 所示的合应力作用下，氧化物层 图 9 加载后渗氮处理试样内的应力分布示意图 Fig． 9 Schematic diagram of stress distributions in nitrided specimens under applied stress 将在疲劳过程的初期开裂，并导致环形缺口应力集 中，造成多起点疲劳裂纹扩展，使材料的疲劳强度和 寿命下降． 当除去表面氧化物层后，缺口效应消失， 具有高硬度的氮化物层的抗疲劳裂纹萌生的能力增 强，使材料的疲劳强度和寿命有所提高． ·712·