通过表面技术提高材料疲劳强度

众所周知，采用表面技术可以大幅度提高材料的疲劳强度，其原因是表面强化层可以直接提高表面强度，抑制疲劳裂纹在表面产生。同时很多表面技术可以使表面获得残余压应力，降低服役过程中表面拉应力作用。工程上常用的表面处理技术对疲劳性能有影响，可以用表面强化系数β3 表示。该值可以通过试验测定，一些表面处理技术对疲劳性能提高的影响见表3-3，该表选用文献[8]中的数据及一些试验数据。

表3-3　表面强化系数β3

表3-4 中的数据是实际测定结果。根据测定的数据可知：盐浴软氮化的β3 值为1.2～1.35，多元共渗处理的β3 值为1.52～1.74。图3-30 是不同材料经过多元共渗处理后渗层的金相组织照片。

表3-4　45 钢材料不同处理工艺试样旋转疲劳性能对比实验结果（实验设备：纯弯曲疲劳试验机）

注：多元共渗工艺：550～650 °C，2.5 h，在渗入氮、碳的同时渗入其他元素。

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图3-30　多元共渗金相组织照片

图3-31 是对35CrMo 材料与50 钢材料的光滑试样，采用多元共渗工艺处理后实际测定旋转疲劳性能数据。根据经验公式可以推算出其他载荷下疲劳性能数据。表3-5 是不同表面处理工艺处理后样品抗腐蚀性能对比数据。

图3-31　35CrMo 与50 钢材料旋转疲劳测定结果

（采用盐雾试验方法对比，选用标准：GB/T 10125）表3-5 不同表面处理工艺处理后样品抗腐蚀性能对比结果

在2.1 节中已经论述，腐蚀对疲劳性能有极大的影响，不同的环境腐蚀程度不同。例如，在沿海区域存在盐雾腐蚀，在工业大气污染严重区域有二氧化硫的腐蚀。所以暴露在大气的零部件表面受到交变载荷，也可能是在腐蚀环境中服役，所以必须要考虑腐蚀对疲劳性能的影响。同时在工程中有许多零部件异种材料接触，如果接触面受到交变载荷，交界面处发生的电偶腐蚀将对零部件的疲劳寿命产生影响。采用表面技术提高疲劳性能是常用的手段，在选择表面处理工艺时需要考虑腐蚀问题，如果条件允许，应该选用能同时提高疲劳性能与抗腐蚀性能的表面技术。在表3-5 中列举了各类表面强化处理后的样品抗盐雾腐蚀的性能数据。从表3-5 中数据可见，软氮化与多元共渗处理后的组织，不但强化表面、表面产生压应力，同时由于表面化合物层的存在，可以大幅度提高抗腐蚀性能。因此，在选择表面处理工艺时，应该尽可能选取这类能够同时提高抗腐蚀及抗疲劳性能的工艺。