第6期 鲁连涛等：气体渗氨对中碳车轴钢超长寿命疲劳性能的影响 ·711· 于N固溶层中碳浓度较低，XRD不能测试出N固溶 100 层中的碳化物组织.根据渗氮原理，渗氮N固溶层 的组织中应具有少量的碳化物和碳原子 -100 1.4表面层硬度分布 -200 图5为渗氮后试样表面层的维氏硬度分布.如 -300 图5所示：材料最表面氧化物层的硬度较低，约为 400 HV290;次表面氮化物层的硬度最高，约为HV620; -500 N固溶层的硬度在HV540~250分布，随着深度的 600 0 200 增加而减小，当深度增加到约450um后，试样内部 400600 800 表血距离中m 的硬度与基体的硬度相同. 图6试样表面层残余分布 700 Fig.6 Distribution of residual stress at the surface layer of the 600 specimen ◆渗氨处理试样 三500 。一未处理试样 试验结果 300 2.1S-V曲线 200 0tt49。>0 疲劳试验获得的S-V曲线如图7所示.未处理 -100 100 300500700900 与渗氮处理试样的S一N曲线均由倾斜线段和水平 表面距离仙m 线段组成.两试样在10？周次后不出现疲劳破坏， 图5试样表面层硬度分布 因此具有传统的疲劳极限.当分别去除试样表面氧 Fig.5 Distribution of Vickers hardness at the surface layer of the 化物层和氮化物层后，试样的S-N曲线由斜线一直 specimen 线形状向台阶下降形状转变，其疲劳破坏在10'周 次后仍然发生，不存在传统的疲劳极限.此外，渗氮 1.5表面层残余应力分布 处理试样及去除表面氧化物层、氮化物层试样的 图6为X射线测得的渗氮后试样纵向（弯曲应 10°周次的疲劳强度分别提高了120%、130%、 力作用方向)残余应力沿深度的分布.这里，残余应 145%.可见，渗氯处理后，N固溶层的抗疲劳性能 力的测定条件是使用Cr-K。(Fe（211面))，在 最好，氮化物层次之，而氧化物层稍差. 40kV管电压、40mA管电流及100um视准仪直径的 900r 条件下，利用位置灵敏正数计数管(position sensitive 0未处理试件 800 ·有氧化物层渗氨处理试样 proportional counter,PSPC)型检出器的sin'业法进行 700 的，对于氧化物层和氮化层测试时，应力常数设定为 氧化物和氮化物对应的应力常数.沿试样深度方向 6600 sm 。无氧化物层渗氢处理试样 的残余应力测定是通过对试样表面进行电解研磨， 日无氨化物层渗氨处理试样 400 /裂纹萌生于次表血 逐次除去试样表面的硬化层进行的.如图6所示： 300 表面氧化物层的残余压应力约250MPa;氮化物层 c6沙0 0 200 10 的残余压应力约为500MPa;随着深度的增加，N固 10 10101010 疲劳循环周次，N, 溶层残余压应力逐渐减小，当深度增加到约500um 后，残余压应力消失 图7S-V曲线 Fig.7 S-N curves of different specimens 1.6疲劳试验 疲劳试验使用日本RB4-3150-V1悬臂梁型旋 2.2断口观察 转弯曲疲劳试验机0，在室温空气中进行，加载频 试样疲劳裂纹萌生位置的扫描电子显微镜 率为52.5Hz,加载的目标周次为10°.试样折断后， (SEM)观察结果如图8所示.未处理试样的疲劳裂 使用日立S-2150扫描电镜(SEM)对试样的断口进 纹起始于试样表面的晶体滑移，当加载应力较低时， 行了详细观察. 疲劳裂纹萌生于单一位置（图8(a)),否则萌生于第 6 期 鲁连涛等: 气体渗氮对中碳车轴钢超长寿命疲劳性能的影响 于 N 固溶层中碳浓度较低，XRD 不能测试出 N 固溶 层中的碳化物组织． 根据渗氮原理，渗氮 N 固溶层 的组织中应具有少量的碳化物和碳原子． 1. 4 表面层硬度分布 图 5 为渗氮后试样表面层的维氏硬度分布． 如 图 5 所示: 材料最表面氧化物层的硬度较低，约为 HV 290; 次表面氮化物层的硬度最高，约为 HV 620; N 固溶层的硬度在 HV 540 ～ 250 分布，随着深度的 增加而减小，当深度增加到约 450 μm 后，试样内部 的硬度与基体的硬度相同． 图 5 试样表面层硬度分布 Fig． 5 Distribution of Vickers hardness at the surface layer of the specimen 1. 5 表面层残余应力分布 图 6 为 X 射线测得的渗氮后试样纵向( 弯曲应 力作用方向) 残余应力沿深度的分布． 这里，残余应 力的测定条件是使用 Cr--Kα ( Fe ( 211 面) ) ，在 40 kV管电压、40 mA 管电流及 100 μm 视准仪直径的 条件下，利用位置灵敏正数计数管( position sensitive proportional counter，PSPC) 型检出器的 sin2 ψ 法进行 的，对于氧化物层和氮化层测试时，应力常数设定为 氧化物和氮化物对应的应力常数． 沿试样深度方向 的残余应力测定是通过对试样表面进行电解研磨， 逐次除去试样表面的硬化层进行的． 如图 6 所示: 表面氧化物层的残余压应力约 250 MPa; 氮化物层 的残余压应力约为 500 MPa; 随着深度的增加，N 固 溶层残余压应力逐渐减小，当深度增加到约 500 μm 后，残余压应力消失． 1. 6 疲劳试验 疲劳试验使用日本 RB4--3150--V1 悬臂梁型旋 转弯曲疲劳试验机［10］，在室温空气中进行，加载频 率为 52. 5 Hz，加载的目标周次为 109 ． 试样折断后， 使用日立 S--2150 扫描电镜( SEM) 对试样的断口进 行了详细观察． 图 6 试样表面层残余分布 Fig． 6 Distribution of residual stress at the surface layer of the specimen 2 试验结果 2. 1 S--N 曲线 疲劳试验获得的 S--N 曲线如图 7 所示． 未处理 与渗氮处理试样的 S--N 曲线均由倾斜线段和水平 线段组成． 两试样在 107 周次后不出现疲劳破坏， 因此具有传统的疲劳极限． 当分别去除试样表面氧 化物层和氮化物层后，试样的 S--N 曲线由斜线--直 线形状向台阶下降形状转变，其疲劳破坏在 107 周 次后仍然发生，不存在传统的疲劳极限． 此外，渗氮 处理试样及去除表面氧化物层、氮化物层试样的 109 周次的疲劳强度分别提高了 120% 、130% 、 145% ． 可见，渗氮处理后，N 固溶层的抗疲劳性能 最好，氮化物层次之，而氧化物层稍差． 图 7 S--N 曲线 Fig． 7 S-N curves of different specimens 2. 2 断口观察 试样疲劳裂纹 萌 生 位 置 的 扫 描 电 子 显 微 镜 ( SEM) 观察结果如图 8 所示． 未处理试样的疲劳裂 纹起始于试样表面的晶体滑移，当加载应力较低时， 疲劳裂纹萌生于单一位置( 图8( a) ) ，否则萌生于 ·711·