[發明專利]一種滲碳鋼超高周疲勞性能的評價方法

有效

• 申請號: 202110038648.8
• 申請日: 2021-01-12
• 公開（公告）號: CN112881207B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 尉文超;王毛球;何肖飛;時捷;孫挺;閆永明;李曉源;徐樂
• 申請（專利權）人: 鋼鐵研究總院
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32;G01N3/02
• 代理公司: 北京華誼知識產權代理有限公司 11207
• 代理人: 劉月娥

一種滲碳鋼超高周疲勞性能的評價方法，屬于材料疲勞性能評價方法領域。該方法具體步驟包括：根據材料應用目標的滲碳層特征要求，通過滲碳工藝調整，分別獲得滲碳層、過渡層和基體層組織狀態的模擬試樣，利用超聲波疲勞測試設備，分別對不同組織狀態的試樣進行升降法疲勞性能評價，獲得疲勞極限S?N曲線，通過對比分析，不同組試樣的最小值即可認為是該滲碳鋼的安全疲勞極限。該方法采用超聲波測試方法進行疲勞測試，可進行10⁷周次以上，如10⁹、10¹⁰超高周次的滲碳鋼疲勞性能評價，相比旋轉彎曲疲勞，可縮短評價時間95％以上。該方法可推廣應用于不同材料體系如鋁合金、鈦合金等，也可用于其他非均勻組織狀態的材料疲勞性能評價。

技術領域

本發明屬于滲碳鋼性能評價領域，特別是一種滲碳鋼超高周疲勞性能的評價方法，可對滲碳鋼等非均勻組織進行超高周疲勞性能評價。

背景技術

承受周期載荷的工件往往會發生疲勞失效，導致工件或裝備無法正常工作，因此在工件設計和制造時必須要考慮選用材料的疲勞性能，評估材料的疲勞極限也成為結構件用鋼應用的必要環節。目前廣泛采用的材料疲勞評價方式包括旋轉彎曲疲勞、滾動接觸疲勞等方式，評價10⁷周次條件下的高周疲勞極限，即認為材料達到無限壽命。而近幾年的研究表明，材料在低于高周疲勞極限的應力水平下循環較高周次也會發生疲勞失效，也即超高周疲勞現象。因此，評價材料的超高周疲勞性能成為結構鋼的研究熱點。

表面滲碳是結構用鋼常用的表面處理方式，例如齒輪零件，通過表面滲碳獲得較高的表面硬度，提高疲勞性能，延長零件使用壽命。隨著車輛裝備運行里程的提高，傳動系統齒輪、軸承等工件的循環周次也大幅度提升，常規的10⁷周次高周疲勞檢測已無法提供可靠保障，需要對10⁹以上更高周次疲勞性能進行評價。研究指出，齒輪、軸承等滲碳零件承受周期性彎曲載荷，其疲勞失效多發生在滲碳層與未滲碳層的過度區域，該區域的硬度較表面低，而承受的載荷相對較大，易因夾雜物等啟裂源而失效。目前，滲碳鋼通常采用旋轉彎曲疲勞方式進行彎曲疲勞性能評價，該方法與零件的實際工作狀態較為接近，滲碳試樣與零件具有相同的滲層結構，疲勞失效模式也較為相似。但是，旋彎疲勞的加載頻率通常為50-200Hz，對一個試樣進行10⁹周次疲勞性能評價需要1000小時以上，周期較長，不具有可行性，因此，關于滲碳鋼10⁹周次以上超高周疲勞性能目前仍無法進行有效的評價。同時，由于旋彎疲勞試驗時試樣直徑不同部位處所加應力不一樣，表面應力最大，因而常在表面或次表面發生疲勞啟裂。近年來興起的超聲波疲勞測試技術，加載頻率可以穩定達到20KHz，進行10⁹周次疲勞性能評價只需要約15小時，成為均質材料超高周疲勞性能評價的理想方式。然而，滲碳鋼為非均勻材料，其表面滲碳后硬度較高，而心部強度較低，超聲波疲勞采用拉壓加載方式，無法準確評估滲碳鋼的疲勞性能。因此，仍需要尋找合適的方法進行滲碳鋼的超高周疲勞評價。

發明內容

本發明的目的在于提供一種滲碳鋼超高周疲勞性能的評價方法，該方法采用超聲波疲勞測試，可測試10⁹周次以上超高周疲勞性能，測試單個試樣的10⁹周次疲勞性能的時間約15小時，與旋轉彎曲疲勞試驗方法相比可縮短95％以上的測試時間，具有效率高、測試周期短、可靠性好等特點，同時更能反映滲碳試樣隨機啟裂的特征。

滲碳鋼經過滲碳后，通常表面硬度較高，而心部硬度較軟。滲碳零件在服役過程中，通常承受周期性彎曲載荷，試樣疲勞失效可能發生在表面的滲碳層、過渡層或心部的基體區域。而超聲波疲勞為拉壓疲勞，如采用旋彎疲勞相同的試樣，則與零件的服役過程應力分布差距較大，不具有代表性。因此，本發明方法基于滲碳鋼的材料組織和服役特征，采用對滲碳層、過渡層、心部區域分別進行評價的方式來表征滲碳鋼的超高周疲勞性能。具體工藝步驟及控制的技術參數如下：

(1)根據測試試樣尺寸要求在材料上切取疲勞試樣毛坯；