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21st European Conference on Fracture，ECF21，2016年6月20-24日,意大利卡塔尼亚

热处理、喷丸加工对51CrV4钢的疲劳强度的影响

Andrzej Kubit^a *, Magdalena Bucior^a , Wladyslaw Zielecki^a , Feliks Stachowicz^b

热舒夫理工大学,机械工程与航空学院,产品工业工程系及材料成型和加工系,波兰华沙市索波特12,热舒夫35-959号

摘要：

淬火和回火（Q＆T）和喷丸（SP）工艺通常用于零件制造工业中以改善钢的机械性能。本次研究提供了51CrV4 弹簧钢在这两种处理后的实验结果。对比了它们对疲劳强度、表面粗糙度和机械性能的影响。试样在860℃下淬火2.15分钟，然后在480℃下回火15分钟。实验研究表明,这些方法明显提高了疲劳强度极限，淬火及回火提高了5.3%，而喷丸加工提高了约1.5%。机械性能也比未处理的试样好，尤其是经Q＆T处理的钢。

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

ECF21科学委员会负责同行评审。

关键词:疲劳强度;淬火及回火;喷丸加工;弹簧钢

1.引言

当代机械零件制造业最重要的一个问题是满足日益增长的耐用性和可靠性要求（纳科涅奇内等，2004年）。迄今，新设计的解决方案使得对相关材料和方法的需求增加，这些材料和方法用于改善材料的性能。影响成品耐用度的关键因素是其表面结构以及表层的物理和化学性能。因此,急需发展新的金属加工技术，研究新的表面改性方法。通过工艺工程的应用，这些性能可以改变。这些工艺包括过程动态抛光和热处理。

其中一个动态表面强化的方法是喷丸处理（Nakonieczny，2002年）。改善使用性能，比如疲劳强度，喷丸处理部分的疲劳强度是由表层压缩残余应力的产生引起的（Tekeli,2002;Torres等人,2002），而残余应力主要由表层的塑性变形，温度升高，结构改变引起（Nakonieczny，2002年）。压缩残余应力导致疲劳强度增加，由摩擦腐蚀、侵蚀或空穴引起的分解断裂（Metal Improvement Company,2005）。冷加工通过使用分布式射流的冷加工,根据产生的影响,已经在工业中发现了各种各样的应用。很多工程材料都经过这种冷加工，包括弹簧钢（Nakonieczny等，2004年；Sledz等，2015；Tekeli等，2002），结构钢（Vielma等，2014；Sledz等，2015；Zaleski，2009）以及铝合金（Trsko等，2014；Benedetti等，2004）。喷丸处理用于改善材料性能上取得了很大成功，即具有几何凹口的部件的疲劳强度以及由于先前技术操作而产生的结构和表面缺陷。

另一个提高钢的机械性能以及物理和化学性能的进程是热处理。其中一个热处理类型是淬火和回火(Qamp;T)。这种情况下产生的变化主要由温度变化和保温时间决定（Babu，2007）。淬火和回火是机械零件的生产中最常用的操作，它们直接影响成品的耐用度和强度（Fragoudakis等，2013；Llaneza等2015）。

在汽车和机械行业,很多易受到疲劳影响的零件都是由弹簧钢制成。本文主要讲述了淬透性良好的51CrV4铬钒弹簧钢，它也被用于制作因参量谐振工作的筛网（Sledz等，2015）。51CrV4钢主要用于生产高强度的机械零件如：齿轮、棒件、杆件、管件、轴件、凸轮、杠杆、弹性件、簧片。弹簧钢零件的疲劳强度也取决于表层的性能。这些性能在零件的生产过程决定，然而这些性能在零件的使用过程中会得到改进（Legutko等，2004）。Nakonieczny提供了50HS钢的疲劳强度测试的结果，该测试将50HS钢热处理到45-47HRC，然后在0.45 MPa的压强下用直径为0.6mm的弹丸进行喷丸处理。钢的疲劳强度极限值和只经过热处理的试样相比增加了10.5%。

S.Tekeli (2002)测试了喷丸处理对SAE 9245弹簧钢的疲劳强度的影响。试样经过了热处理(Qamp;T)和喷丸处理。将样品在0.4MPa的压力下以0.58mm的射程在25A强度下抛光45秒。管口距离工件100mm，实验结果表明疲劳强度显著提高了30%。本文的主要目的是确定热处理和喷丸处理对51CrV4 弹簧钢的疲劳强度、粗糙度、机械性能的影响。

命名：

A 总延伸率

HV 最大显微硬度

HV 中心显微硬度

N 循环次数

Qamp;T 淬火和回火

R 算术平均表面粗糙度

R 强度极限

R 屈服强度

R 表面粗糙度

S 应力幅值

SP 喷丸处理

S 淬硬性

WT 基线变量

Z 疲劳强度极限

2.实验步骤

本试验采用的51CrV4弹簧钢试样尺寸为110times;38.4,厚1mm。钢的化学成分列在表1中。两组试样进行了强化处理。一组试样以油为介质淬火处理（加热到860℃然后保温2.15分钟，然后在480下回火15分钟(Qamp;T)。实验用CT 125 EKM型电炉对试样加热。第二组试样只做喷丸处理（SP)。试样从两侧用2mm轴承滚珠在0.6MPa的压力下进行10分钟的SP。喷嘴设在距工件95mm处。实验装置见图一。参考基线采用从从轧制方向轧制的金属板上切割下来的试样，其中表面未机械加工（WT)。轴向拉伸试验在Zwick/Roell Z030测试机上进行。使用Surtronic 25 Taylor Hobson表面光度仪在具有三次重复的8mm区段上测量样品的表面粗糙度。而显微硬度用维氏硬度法在Reicherter C.Stiefelmayer 显微硬度计上测试，载荷F=1.96 N，用时15秒。表面层硬化的程度使用方程式 Eq.1，该试验重复5次。

疲劳试验在300次/秒的加速疲劳试验的特殊试验台（ETS Solution L系列MPA 102-L620M）上进行。在测试期间，将试样安装在具有恒定的互锁强度的液压手柄中，并且可以导致共振，其随着未固定端的振幅的突然增加而出现。对于每个样品变体，在三个不同的负载下进行测试。将样品保持在共振下直到开裂或获得最终循环次数。对本实验，使用2times;106个循环作为上限。

表1. 51CrV4弹簧钢的化学成分

图1.用于气动喷丸强化的装置：1-工作室，2-试样，3-射击，4-喷射器喷嘴，5-卡盘，6-压缩空气管线，7-控制面板。

3.实验结果

图2呈现了51CrV4钢试样的三种变型表面。在喷丸处理的试样（图2c）的表面上，存在由弹丸冲击的塑性变形引起的可见的小凹坑。比较所得的表面粗糙度（表2），显然最大粗糙度Ra = 2.810和Rz =12.8mu;m，属于SP弹簧钢。热处理后，Ra和Rz参数与WT试样相比增加了2.1倍。

图2. 51CrV4钢在25倍焦距下表面的照片：(a)WT,(b)Q＆T,(c)SP。

表2. 51CrV4钢表面的粗糙度曲线。

图3呈现了对于在滚动表面以90°角切割的51CrV4试样的单轴拉伸试验结果的比较。使用三种变体进行实验：WT，Q＆T和SP，重复3次。机械性能列于表3。如图3所示，可得出应力-应变曲线在喷丸硬化之后改变。由于抛光使材料强化，没有可见的屈服点。最大屈服点和极限强度通过Q＆T后的试样获得。与WT样品相比，热处理的样品的屈服点增加2.9倍，与SP相比增加3.5倍。 Q＆T后的弹簧钢的极限强度比其他变量大2.1倍。当分析试样的总伸长率时，观察到喷丸硬化的最大值为24.3％。该值比Q＆T后的样品大77％。与WT变体相比，抛光后的机械性能变化不显着。

图3.在轧制方向90°处切割的51CrV4钢试样的应力-应变曲线。

表3. 51CrV4钢的机械性能。

喷丸硬化后的表面层的硬化度为22.6％，而热处理的硬化度为52％。

51CrV4钢的疲劳强度试验的结果表明，在抛光后，疲劳强度极限值达到ZG = 200MPa的值。由热处理的样品得到的ZG=208MPa的最大疲劳强度极限与WT相比增加5.3％。图4示出了51CrV4钢的疲劳强度试验结果。当比较三个变体的Wohler曲线时，观察到SP和Q＆T可提高样品的疲劳寿命。与WT相比，经SP和Q＆T变体的疲劳寿命为45plusmn;86.3％。在Q＆T的情况下最大可使疲劳寿命增加86.3％。当比较两种方法时，可得出51CrV4钢在热处理后比在抛光后具有高75％的疲劳寿命。如S = 211MPa的指定应力幅度下比较试样的疲劳寿命时，热处理或喷丸硬化对分析的51CrV4钢的强度性能的影响甚至更明显。基于该比较，可以观察到疲劳寿命：

bull;与WT相比，Q＆T变体增加了7.3倍（WT的243000个循环至Q＆T的1770000个循环）;

bull;与WT相比，SP样品增加了1.8倍（从WT的243000个循环到SP的442000个循环）;

bull;与SP样品相比，Q＆T样品增加了4倍（从SP的442000个循环到Q＆T的1770000个循环）。

4.结论

基于实验结果，显然，两种强化过程，即Q＆T和SP，对增加疲劳强度51CrV4钢具有显着影响。就Q＆T钢而言，疲劳强度与WT相比增加5.3％。另一方面，对于SP样品增加了1.5％。弹簧钢的疲劳寿命，经过这两种处理，增加了45 86.3％。Q＆T试样具有最大的极限强度和最高的屈服点。而SP样品没有确定的屈服点。Q＆T样品表面层的硬化度为52％，然而在SP后为22.6％。对于喷丸硬化的51CrV4钢，观察到最高的粗糙度，其最可能受到操作留下的小凹痕的影响。总之，可以说，51CrV4钢Q＆T和SP后的机械性能和显微硬度与疲劳强度密切相关。

致谢

这项工作得到欧洲研究机构FP7-PE0PLE-2011-IAPP-赠款协议第284544号的支持。使用孔径完成的实验，由POPW 01.03.0018-012 / 09-00和UDA-RPPK的资金支持.01.03.00-18-003 / 10欧洲联盟从欧洲区域发展基金共同资助的2007-2013年项目。

参考文献

Babu S.S., 2007. Classification and Mechanisms of Steel Transformation, in Steel Heat Treatment Metallurgy and Technologies, In: Totten GE, Editors. New York, Taylor amp; Francis Group, pp. 107-108.

Benedetti M., Bortolamedi T., Fontanari V., Frendo F., 2004. Bending fatigue behaviour of differently shot peened Al 6082 T5 alloy.International Journal of Fatigue 26(8), 889-897.

Czarnecki H., Tagowski M., 2014. Topografia powierzchni z^bowkot po nagniataniu dynamicznym. Wyd. Politechnika Gdanska, 85-103.

Fragouda

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