彈簧鋼由于具有強度高、抗疲勞性和抗彈減性好等特點，因此常用來制造減震緩沖、儲能、傳動、支撐等零件，在飛機制造中起著重要的作用[1]。其中，50CrVA彈簧鋼具有淬透性好，疲勞強度高，屈服比高等優(yōu)良特性，釩的加入使鋼的晶粒細化，降低過熱敏感性，提高了強度，因此50CrVA彈簧鋼具有良好的力學(xué)性能和工藝性能，是一種較高級的彈簧鋼，廣泛用于各種機械[2−3]。

真空熱處理作為一種提高熱處理質(zhì)量的手段，和空氣熱處理相比具有無氧化、無脫碳、變形小、污染小等特點[4]?？諝鉄崽幚砉に囆枰诹慵崽幚砗筮M行吹砂工序以去除氧化皮，而真空熱處理工藝不需吹砂工序，因此2種熱處理工藝對零件表面狀態(tài)的影響不同，進而可能導(dǎo)致疲勞性能產(chǎn)生差異。

基于此，本文通過試驗研究真空、空氣熱處理工藝對50CrVA彈簧鋼疲勞性能和顯微組織的影響，為彈簧鋼的工程應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

1.   試驗材料及方法

本試驗所選用彈簧原材料為50CrVA，熱處理的淬火溫度和回火溫度分別為850和385 °C，熱處理完成后進行疲勞試驗。

疲勞試驗：室溫下高周疲勞，應(yīng)力比R=0.06，試樣應(yīng)力集中系數(shù)Kt=1，試驗頻率在120±15 Hz。試驗包括2部分：成組法和升降法。試樣的斷口掃描，經(jīng)超聲波清洗后，在掃描電鏡下進行觀察，對宏觀斷口和微觀斷口進行拍照，分析失效模式、裂紋源位置等。試驗在4臺仟邦QBG-50型高頻疲勞試驗機上進行，斷口掃描在TESCAN Vega III型掃描電子顯微鏡上進行。

2.   試驗結(jié)果與分析

2.1   熱處理工藝的影響

50CrVA光滑試樣軸向拉伸高周疲勞應(yīng)力–壽命（S–N）曲線如圖1所示，成組法和升降法的有效試驗結(jié)果均列于圖1（圖中右側(cè)標(biāo)注數(shù)字表示使用升降法時在對應(yīng)強度下的試件數(shù)量）。

同一載荷水平下，真空熱處理數(shù)據(jù)點基本全部在空氣熱處理數(shù)據(jù)點的右側(cè)，說明真空熱處理的疲勞壽命更長。真空熱處理曲線整體在空氣熱處理上方，說明具有更高的疲勞極限。因此可見，真空爐熱處理試樣的高周疲勞試驗結(jié)果明顯優(yōu)于空氣爐熱處理結(jié)果。表1中可見，50CrVA彈簧鋼空氣熱處理的中值疲勞極限為816.7 MPa，為材料屈服強度的50.4%；真空熱處理的中值疲勞極限為1067.9 MPa，為材料屈服強度的64.0%。兩者相比較可見，真空熱處理的中值疲勞極限提高了251.2 MPa，提升了30.8%，提升效果顯著。

因此，50CrVA室溫下的高周疲勞試驗結(jié)果表明，真空熱處理的疲勞性能顯著優(yōu)于空氣爐熱處理。

2.2   熱處理工藝對斷口形貌的影響

觀察斷口形貌（圖2和圖3），斷口上形成放射線狀花紋，放射線收攏處即為裂紋源產(chǎn)生區(qū)域。2種熱處理工藝的疲勞裂紋均產(chǎn)生于試樣表面，為單裂紋源起裂。疲勞裂紋從試樣表面一點處產(chǎn)生，隨后疲勞裂紋從表面向內(nèi)部穩(wěn)定擴展，形成較為平整光潔的疲勞區(qū)斷口，離裂紋源越遠，裂紋擴展速率越快。當(dāng)裂紋擴展超過裂紋臨界尺寸，則發(fā)生瞬間斷裂，形成瞬斷區(qū)，斷口表面起伏明顯。由于是表面單源起裂，材料的表面狀態(tài)對疲勞裂紋壽命有很大影響[5]。

2.3   熱處理工藝對表面狀態(tài)的影響

由于是表面單源起裂，材料的表面狀態(tài)對疲勞壽命影響很大。對試樣的表面狀態(tài)進行觀察（見圖4），空氣熱處理試樣表面存在明顯的劃痕、擦傷、尖銳的槽或坑等缺陷，表面粗糙度大。這是由于空氣熱處理工藝采用吹砂去除試樣表面的氧化銹蝕，砂粒高速沖擊試樣表面去除氧化皮的同時在試樣表面造成損傷，形成不連續(xù)的塑性變形，由此造成表面粗糙度的增加，不連續(xù)表面加工硬化造成表層材料性能的不均勻分布。這些特征引起微觀表面應(yīng)力集中，為疲勞不利因素，促進了疲勞裂紋源區(qū)的產(chǎn)生。真空熱處理工藝不經(jīng)過吹砂工序，試樣表面未形成氧化皮，保留熱處理前的表面形貌，仍是典型的機加表面，偶見機械拋磨留下的少量較淺的劃痕，表面粗糙度小，表面質(zhì)量均勻，因此推遲了疲勞裂紋的產(chǎn)生時間，其疲勞性能更優(yōu)。

3.   結(jié)束語

（1）50CrVA采用真空熱處理工藝的室溫高周疲勞性能顯著優(yōu)于空氣熱處理工藝，真空熱處理的中值疲勞極限比空氣爐熱處理提高了30.8%；

（2）2種熱處理工藝的斷口形貌無明顯差異，斷口上僅存在一個裂紋源，且裂紋起源于試樣表面，即表面單源起裂；

（3）材料的表面狀態(tài)對疲勞裂紋壽命影響較大，空氣熱處理工藝的吹砂工序去除氧化皮的同時在試樣表面形成劃痕、擦傷、尖銳的槽或坑，引起表面粗糙度增大，且表面形成不連續(xù)的塑性變形造成表層材料性能的不均勻分布，引起微觀表面應(yīng)力集中，降低疲勞性能。真空熱處理工藝不需吹砂，表面狀態(tài)好，疲勞性能更優(yōu)。

參考文獻

[1]楊蘭香. 彈簧鋼材質(zhì)發(fā)展綜述. 特鋼技術(shù),1998(Z1):14doi: 10.16683/j.cnki.issn1674-0971.1998.z1.003

[2]姜英禹. 50CrVA彈簧鋼的研制開發(fā). 新疆鋼鐵,2003(3):1doi: 10.3969/j.issn.1672-4224.2003.03.001

[3]田琴,雷源源,楊明,等. 50CrVA彈簧生產(chǎn)過程中的斷裂分析. 鑄造技術(shù),2010,31(3):359

[4]《航空制造工程手冊》總編委會. 航空制造工程手冊: 熱處理. 2版. 北京: 航空工業(yè)出版社, 2010

[5]秦曉峰,劉世永,李輝,等. 表面狀態(tài)對60Si2CrVATi彈簧鋼疲勞性能的影響. 大連交通大學(xué)學(xué)報,2008(2):74doi: 10.3969/j.issn.1673-9590.2008.02.019

文章來源——金屬世界