鋼鐵材料復(fù)合強(qiáng)化的可行性分析

孫 建 陳守東 陳子潘

（銅陵學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 銅陵 244061）

鋼鐵材料復(fù)合強(qiáng)化的可行性分析

孫 建 陳守東 陳子潘

（銅陵學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 銅陵 244061）

復(fù)合強(qiáng)化是鋼鐵材料強(qiáng)化的主要方式之一，但復(fù)合強(qiáng)化屬于多種強(qiáng)化結(jié)合的一種強(qiáng)化手段。復(fù)合強(qiáng)化通過向金屬中加入各種微量元素，制作具有較高性能的合金。在鋼鐵材料的制作過程中，也可以對(duì)軋鋼進(jìn)行冷卻，形成含有馬氏體、鐵素體、珠光體等的固態(tài)相變結(jié)構(gòu)。本文主要對(duì)鋼鐵材料復(fù)合強(qiáng)化的可行性展開研究，通過分析提升鋼鐵材料疲勞強(qiáng)度的方法，提出馬氏體固態(tài)相變與形變強(qiáng)化的可行性途徑。

鋼鐵材料；復(fù)合；固態(tài)相變；形變強(qiáng)化；可行性

鋼鐵復(fù)合材料中加入密度低的剛性元素，能有效提升金屬本身的強(qiáng)度和韌性。此外，鋼鐵材料復(fù)合過程中，其固態(tài)相變、形變強(qiáng)化所耗費(fèi)的成本低，形成的材料結(jié)構(gòu)更加均勻。因此，本文以鋼鐵材料疲勞強(qiáng)度作為復(fù)合強(qiáng)化的主要關(guān)注點(diǎn)，展開鋼鐵材料制備與加工的可行性方式探討。

1 復(fù)合強(qiáng)化鋼鐵材料的選擇

復(fù)合強(qiáng)化鋼鐵材料包括連續(xù)相和分散相兩個(gè)部分，連續(xù)相就是經(jīng)常說的鋼鐵基體，分散相為增強(qiáng)材料。其中，鋼鐵基體的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系到復(fù)合材料承受外加載荷能力的優(yōu)劣。高速鋼是鋼鐵材料基體的一種，其具有高硬度、高耐磨性、高耐熱性等性能。高速鋼是用金屬粉末等混合物燒制而成，主要成分為C、Si、Mn、Cr、TiC、Al2O3和TiN等。由于利用金屬粉末制作鋼材的工藝存在較大限制，其要求在高速鋼粉末中，增加磷化亞銅和石墨等合金組成的基本單元。加入磷化亞銅和石墨后，高速鋼粉末在壓制過程中，其密度和柔韌程度會(huì)逐漸增強(qiáng)。除此之外，某些復(fù)合強(qiáng)化鋼也會(huì)使用鐵加入混合石墨的組合來進(jìn)行鋼鐵材料基體的制作。由金屬粉末添加其他混合物制作的高速鋼，其化合物相組成物的硬度和強(qiáng)度都非常高，耐磨性與切割性能也非常卓越。

復(fù)合強(qiáng)化鋼鐵材料的另一部分為增強(qiáng)材料，增強(qiáng)材料也是決定復(fù)合強(qiáng)化鋼鐵力學(xué)抗壓性的主要因素之一。鋼鐵材料基體、增強(qiáng)體的有效融合，能促進(jìn)復(fù)合材料各項(xiàng)性能的提升。鋼鐵材料增強(qiáng)體一般選用硬度較高的氣固混合物來完成與鋼鐵材料基體的相容活動(dòng)。目前，SiC是復(fù)合強(qiáng)化鋼鐵材料中最常用的增強(qiáng)體，其主要使用方法為鐵與15%SiC組合，燒制溫度控制在1 100℃左右。在Fe中加入SiC后，復(fù)合強(qiáng)化鋼鐵材料的強(qiáng)度、柔韌度會(huì)有所降低，但其耐磨損性能會(huì)提升20倍左右。此外，由于其工藝制作成本較低，因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到了大規(guī)模應(yīng)用。

2 馬氏體形變強(qiáng)化與固態(tài)相變的原理

鋼鐵材料在使用丸粒進(jìn)行工件表面轟擊后，工件疲勞強(qiáng)度會(huì)受到殘余壓應(yīng)力的影響，從而提升相應(yīng)性能；或者通過一定形式的滾壓工具加工后，鋼鐵材料的物理特性會(huì)顯著增強(qiáng)。在碾壓過程中，鋼鐵材料的表層結(jié)構(gòu)、機(jī)械特性和形狀尺寸等，也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。例如：某鋼鐵材料20CrNiM0經(jīng)過高頻淬火、低溫回火等工序后，再進(jìn)行工件表面的滾壓工作。檢測(cè)表明：滾壓后20CrNiM0工件光潔度為▽9，粗糙程度為1.6～3.2μm［1］。而對(duì)工件進(jìn)行丸粒表面轟擊后，鋼鐵材料光潔程度會(huì)大大降低，硬度△HV則會(huì)相應(yīng)提高。鋼鐵材料在經(jīng)過工件滾壓后，其形變硬化層組織結(jié)構(gòu)的亞晶粒細(xì)化增大，單位體積位錯(cuò)密度開始增加，晶格畸變程度也逐漸增大。與此同時(shí)，GCr15鋼經(jīng)過高頻淬火、滾壓操作之后，鋼鐵材料鑲塊會(huì)顯著縮小，其單位體積位錯(cuò)密度會(huì)增大為原來的300%。鋼鐵材料工件滾壓的程度增強(qiáng)后，將工件置于900℃高溫的活性滲碳介質(zhì)中，再經(jīng)過高頻淬火的處理，使單相奧氏體逐漸向馬氏體的方向發(fā)生相變。通過電子顯微鏡可以發(fā)現(xiàn)，細(xì)針型馬氏體開始發(fā)生破碎，其單位體積位錯(cuò)密度、鑲塊等物理量顯著縮小，可見，馬氏體強(qiáng)度△HV逐漸增強(qiáng)。同時(shí)，鋼鐵材料在發(fā)生形變強(qiáng)化的過程中，鋼鐵表面仍舊存在殘余壓應(yīng)力［2］。因此可以說，鋼鐵材料的疲勞強(qiáng)度與單位體積位錯(cuò)密度、鑲塊、馬氏體相變等存在較大關(guān)聯(lián)，其關(guān)聯(lián)公式如式（1）和式（2）所示：

從以上數(shù)據(jù)分析可以看出：相比于其他固態(tài)組織而言，鋼鐵材料經(jīng)過高頻淬火、低溫回火的處理操作后，其表面滾壓形變的殘余壓應(yīng)力、光潔程度和硬度顯著增強(qiáng)。因此，通過對(duì)鋼鐵材料進(jìn)行馬氏體形變強(qiáng)化、固態(tài)相變的操作后，鋼鐵材料疲勞強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)提升。鋼鐵材料組成形態(tài)與其硬度的關(guān)系如圖1所示。

3 復(fù)合強(qiáng)化提升鋼鐵材料疲勞強(qiáng)度的力學(xué)研究

鋼鐵材料在循環(huán)應(yīng)力、循環(huán)應(yīng)變的作用下，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸發(fā)生永久性變化，造成在經(jīng)歷相應(yīng)次數(shù)的循環(huán)后形成裂紋或斷裂。這種情況發(fā)生后，需要對(duì)疲勞失效、裂紋發(fā)展時(shí)間、裂紋擴(kuò)展時(shí)間、疲勞裂紋擴(kuò)展最值等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得出最終的鋼鐵材料疲勞斷裂結(jié)果。其中，疲勞裂紋擴(kuò)展最值包括交變載荷應(yīng)力強(qiáng)度的最小值、最大值，以及裂紋擴(kuò)展的速度、深度等參數(shù)［3］。鋼鐵材料疲勞斷裂結(jié)果的表達(dá)式如式（3）和式（4）所示：

斷裂點(diǎn)疲勞裂紋總時(shí)限為：Nf=N0+NP=N0+da/(da/dN)（化簡(jiǎn)得出：Nf=（fN0，da/dN，ac））

從上述表達(dá)式可以得出：隨著N0、ac的增大，以及da/dN數(shù)值的縮小，鋼鐵材料斷裂點(diǎn)疲勞裂紋的總時(shí)限增長(zhǎng)。通過研究發(fā)現(xiàn)，中碳鋼和中碳合金鋼在完成高頻淬火、低溫退火操作后，其組織的細(xì)化晶粒非常均勻，硬度也相應(yīng)降低。而在恢復(fù)到馬氏體形變之后，鋼鐵材料的強(qiáng)度會(huì)增大，可塑性與柔韌性會(huì)逐漸降低。在馬氏體形變狀態(tài)下，其表面滾壓形變的殘余壓應(yīng)力、裂紋發(fā)展時(shí)間數(shù)值會(huì)顯著提升。但鋼鐵材料的裂紋擴(kuò)展速度增加，疲勞裂紋擴(kuò)展最值會(huì)迅速降低，對(duì)鋼鐵材料疲勞強(qiáng)度的增強(qiáng)效用會(huì)逐漸失效。從上述公式可以看出：經(jīng)過高頻淬火、低溫回火的處理后，馬氏體表明再施加形變強(qiáng)化的作用，則疲勞裂紋擴(kuò)展值、擴(kuò)展半徑會(huì)迅速降低，裂紋擴(kuò)展最值會(huì)逐漸增大，裂紋擴(kuò)展速度減小。對(duì)20CrNiM0進(jìn)行高頻淬火、低溫回火的操作，其形變的殘余壓應(yīng)力值達(dá)到-220kg/mm2，而且隨著鋼鐵材料硬度、光潔度的增大，裂紋發(fā)展時(shí)間也會(huì)逐漸變長(zhǎng)。因此可以說，鋼鐵材料裂紋擴(kuò)展的深度，與鋼鐵材料的可塑性、柔韌性有較大關(guān)系。鋼鐵材料在兩個(gè)方向往復(fù)振動(dòng)的過程中，若想增加裂紋擴(kuò)展深度和裂紋斷裂柔韌度，則需要通過對(duì)材料表面進(jìn)行高頻淬火與化學(xué)加熱，然后再進(jìn)行形變強(qiáng)化處理。只有經(jīng)過上述步驟的處理，其才能獲得較高的可塑性與柔韌性［4］。

圖1 鋼鐵材料組成形態(tài)與其硬度的關(guān)系（X：碳鋼；O：合金鋼）

以上分析表明，鋼鐵材料在不確定載荷的情況下，對(duì)其力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)?zāi)茏鳛椴牧掀诳沽υu(píng)定的依據(jù)。上述對(duì)鋼鐵材料疲勞壽命的分析，可以指導(dǎo)今后的鋼鐵材料復(fù)合強(qiáng)化工作。鋼鐵材料只有經(jīng)過形變強(qiáng)化、固態(tài)相變等加熱擴(kuò)展操作，才能實(shí)現(xiàn)疲勞強(qiáng)度失效抗力的提高。

4 鋼鐵材料局部的形變強(qiáng)化與結(jié)果分析

4.1 鋼鐵材料局部的形變強(qiáng)化

在鋼鐵材料的工業(yè)化生產(chǎn)過程中，大多數(shù)鋼鐵材料零部件都存在相應(yīng)的形狀、缺口，以便于產(chǎn)品的實(shí)際使用與推廣。此外，某些鋼鐵材料的載荷會(huì)發(fā)生大小或方向變化，那么工件缺口處所承受的載荷會(huì)增加，直至整個(gè)零件由于負(fù)載疲勞發(fā)生相應(yīng)的斷裂情況。同時(shí)，工件缺口處載荷會(huì)轉(zhuǎn)化為高應(yīng)變塑性載荷，鋼鐵材料的強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生形變強(qiáng)化作用。針對(duì)鋼鐵材料局部的形變強(qiáng)化現(xiàn)象，通常使用強(qiáng)度低、可塑性大的鋼鐵材料，通過高溫加熱處理以完成產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)。經(jīng)過實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，通過使用高強(qiáng)度鋼，對(duì)局部進(jìn)行高頻淬火、化學(xué)加熱來產(chǎn)生形變強(qiáng)化的方式，能有效減少鋼鐵材料零部件缺口處的損壞情況。而且對(duì)鋼鐵材料局部的形變強(qiáng)化后，缺口處的可塑性應(yīng)變會(huì)迅速減小，直至最后消失。此外，通過對(duì)鋼鐵材料表面進(jìn)行滾壓，產(chǎn)生滾壓形變的殘余壓應(yīng)力，也能提升鋼鐵材料零部件缺口處的負(fù)載能力。通過以上局部形變強(qiáng)化操作后，鋼鐵材料零部件的疲勞強(qiáng)度會(huì)均勻分布于各個(gè)部位，再對(duì)鋼鐵材料展開強(qiáng)度理論的設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)鋼鐵材料的形變強(qiáng)化方式，是進(jìn)行淬火和高溫回火的綜合熱處理。而局部的形變強(qiáng)化，則是對(duì)鋼鐵材料表面進(jìn)行滾壓，產(chǎn)生滾壓形變的殘余壓應(yīng)力，從而完成鋼鐵材料局部的形變強(qiáng)化操作。這種方式通常用于工業(yè)化生產(chǎn)中，高強(qiáng)度鋼在完成化學(xué)加熱后，需要進(jìn)行一道表面滾壓形成殘余壓應(yīng)力的操作，這是鋼鐵材料工業(yè)化生產(chǎn)的主要工藝。

4.2 結(jié)果分析

鋼鐵材料只有經(jīng)過形變強(qiáng)化、固態(tài)相變等加熱擴(kuò)展操作，才能實(shí)現(xiàn)鋼鐵材料疲勞強(qiáng)度失效抗力的提高。通過對(duì)鋼鐵材料表面進(jìn)行滾壓，產(chǎn)生滾壓形變的殘余壓應(yīng)力，也能夠提升鋼鐵材料零部件缺口處的負(fù)載能力。

5 結(jié)語

復(fù)合強(qiáng)化鋼鐵材料包括基體、增強(qiáng)體兩個(gè)部分，在工藝制作中鋼鐵材料成本較低，因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到了大規(guī)模應(yīng)用。在鋼鐵材料疲勞強(qiáng)度失效抗力、局部的形變強(qiáng)化等方面，可以使用加熱擴(kuò)展、滾壓形變等手段來提升鋼鐵材料的可塑性與柔韌性。因此，鋼鐵材料的復(fù)合強(qiáng)化，在大型工業(yè)化生產(chǎn)中具有可行性。

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The Feasibility Analysis of Steel Material Compound Strengthening

Sun Jian Chen Shoudong Chen Zipan
（College of Mechanical Engineering,Tongling University，Tongling Anhui 244061）

Compound strengthening is one of the main ways of strengthening steel materials.However,com?pound strengthening is a kind of strengthening method combining multiple strengthening.Complex strengthen?ing by adding various trace elements to the metal,to produce alloys with higher performance.In the pro?duction of steel materials,the steel can also be cooled to form a solid phase transformation structure con?taining martensite,ferrite and pearlite.In this paper,the feasibility of composite strengthening of steel mate?rials was studied.By analyzing the method of improving the fatigue strength of steel materials,the feasibili?ty of martensitic solid phase transformation and deformation strengthening is proposed.

steel materials；composite；solid phase transformation；deformation strengthening；feasibility

TB331

A

1003-5168（2017）12-0061-03

2017-11-01

銅陵學(xué)院人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（2016tlxyrc05）。

孫建（1988-），男，碩士，助教，研究方向：金屬材料組織性能控制。