热处理工艺对金属材料抗疲劳性能影响分析

基于加热、保温以及冷却等技术开展固态金属材料加工作业，得到预期性能以及组织的热加工工艺均称作热处理工艺。在机械制造活动中，金属热处理是最为关键的环节，与其他工艺相比，该工艺能够对材料使用性能进行有效优化，在不改变材料化学成分与形状基础上，对材料表面化学材料显微组织与表面化学组成进行改变，进而对材料内在质量进行优化。人们为了充分优化金属材料化学性能、物理性能以及力学性能等，一般会选择热处理工艺开展加工作业。FV520B钢材在机械制造中应用较为广泛，其显微组织比较复杂，所以需要借助热处理工艺展开控制，因此，选择FV520B钢材热处理，研究金属材料中热处理影响情况

。

1 金属材料的抗疲劳性能影响因素

（1）预处理间接作用。开展实际加工作业前，一些材料应该开展预处理作业，进而将金属材料内部张力消除掉。一般，预处理工艺属于标准化手段。因为其要求需要较大的空间规模，进行标准化作业过程中，冷却环节会出现堆叠冷却现象。此过程可能无法充分冷却金属材料，进而直接影响材料性能。

（2）温度影响。金属材料存在临界加热温度点，同时对其展开热处理后，在温度逐渐降低过程中，其耐高温性也会受到影响。基于临界温度点条件下，金属材料结构张力与热应力等性能持续变化，进而影响其性能，在热处理作业过程中，温度和时间是影响材料变形的关键因素

。

通过计算得到，当这张正方形纸的边长为20 cm，若从四个角剪去的小正方形边长为x(在数值上等于所折无盖长方体型盒子的高h)，该无盖长方体形盒子所对应的容积V的表达式为：V=(20-2x)2·h=(20-2x)2·x，当x分别取1 cm,2 cm,3 cm,…,9 cm，10 cm 时，容积V随小正方形边长x变化的数据如下表1、图1所示：

2 影响机理

以金属材料角度分析，热疲劳性能够对其抗疲劳性能进行直接体现。累积回火的转变就是热疲劳的实质，会出现裂纹现象，碳化物持续聚集过程中会对其造成持续影响。借助在碳化物聚集方面展开建模以及模型分析能够发现，碳化物始终处于热、冷交替环境中，基于此种条件，会出现聚集现象，并且难以避免。单独颗粒虽然非常小，然而基于持续循环条件下，颗粒会出现聚集现象，产生较大颗粒，进而产生碳化物，并产生裂纹。

3 FV520B疲劳性能受到热处理工艺的影响研究

3.1 研究方法

拉应力导致样品表面温度出现线性下降趋势，在拉伸应力不断增加过程中，虽然在宏观层面样品以弹性变形为主，然而样品内部出现不可逆塑性变形现象，同时通过热能形式进行释放。因为热弹性效应居于主导地位，所以样品表面温度不断减小，在塑性变形性能造成对流、热弹性效应和温升速率导致的温降速率一致时，温度处于最低点状态，此时温度降低0.3℃左右。

3.2.2 宏微观疲劳的失效机理

A、B、a、b代表材料常数，σ

代表疲劳极限。借助最小二乘原理对（σ

，ΔT

）数据进行拟合处理，指挥就可以得到回归直线，其交点为临界应力，其是温升机制出现转变的节点，即疲劳极限，该方法就是红外热像法，可以对钢材疲劳极限展开快速测定。

令表示知识超网络中协同成员之间的关联关系集合，其中：表示协同成员之间的第κ类关系，∂表示协同成员之间关系种类的数量。在第κ类关系下，协同成员之间的关联关系矩阵可表示为：

近年来，我国经济一直呈现出一种增长的趋势，但在发展过程中仍旧面临着多种难题。外部环境在不断地更新变化，出现了经济新常态的环境特征，银行业却没有随之得以更新与调整，使得银行业的发展遭遇到瓶颈。基于此，银行业需要顺应时代的变化，通过改革创新等措施来提升自身的服务质量，实现供给侧改革，加强服务实体经济的能力。

借助MTS810伺服液压疲劳试验机开展单轴拉伸处理，拉伸速率设置为2mm/min。在试样标距中固定引伸计，进而对拉伸环节中的应力应变信息进行实时记录，之后借助应力/应变曲线得到A板与B板的伸长率、屈服强度以及极限强度等力学性能信息

。

在A板与B板试样中截取20×10×6mm规格样品，并打磨抛光其表面，之后借助苦味酸盐酸酒精溶液对抛光面进行腐蚀处理，其配比为酒精：盐酸：苦味酸=100ml：4ml：4g，借助FEIQANTA200显微镜对钢材金相组织进行研究。同时借助显微镜对钢材疲劳端口的形貌进行观察，根据红外热像图对其疲劳断裂机理进行研究。

3.2 结果以及讨论

（2）疲劳试验。进行高周疲劳处理时，钢材基于疲劳极限循环应力水平条件下工作过程中，应为滞弹性效应、黏性效应以及其他非塑性效应造成的内耗散与塑性耗散引发的钢材损伤相比非常小。若是循环应力比钢材疲劳极限高，但是比屈服极限低的情况下，在温度变化过程中，材料表面也会发生变化。在第一阶段，主要是加载初期环节中，快速升温环节。在二阶段，温度达到稳定状态。第三阶段，断裂之前温度快速增加环节。其中，温度稳定值可以将循环载荷条件下的钢材热耗散的状态表征出来，开展工程应用以及实验研究活动中，主要是用于疲劳性能快速评估以及钢材损伤情况识别，此环节寿命在样品疲劳寿命中的占比达到90%以上。

（1）拉伸试验。见下图1。

1928年，由李惠堂率领的上海乐华足球队出访菲律宾，这是中国足球队受菲律宾著名华侨领袖林珠光邀请首访东南亚。在一个月的出访中，乐华共与菲律宾的“全菲混合队”、“马尼拉混合队”、“SanEeda队”、“SantoTomas队”、“N.C.A.A队”、“P.A.A.F队”等[4]，实际进行了6场比赛。结果乐华足球队以4胜1平1负的成绩威名大振，令菲人刮目相看，华侨界更是激动不已。

其中a图为原材料，b图为热处理材料（热处理状态是固溶+时效强化等热处理）。该曲线较为光滑连续，然而两图中屈服平台并不明显，所以在塑性应变是0.2%条件下的应力水平设定为钢材σ

（屈服强度）。B板通过固溶+时效强化等热处理后，相比于A板，B板极限强度以及屈服强度得到充分优化。可能够因为热处理工艺促使B板第二相、晶格缺陷以及晶粒尺寸等微观组织得到有效优化。见下表2。

另外，进行单调拉伸处理时，热耗散以及热弹性效应均会影响试样表面温度的信号变化情况，就是在拉伸过程中，热弹性效应会导致试样温度不断降低，热耗散会让试样温度不断增加。进行观察发现，在单调拉伸载荷施加初期，因为应力水平低，样品以可逆弹性变形形变为主，因此材料内部中的微观组织会发生可逆运动，不会累积不可逆损伤。基于热弹性效应影响：

（1）实验试件以及材料。采用同一批次中两块通过固溶化处理的钢材，化学成分见下表1。

目前，污水处理比较先进的一种技术是MSBR工艺，其是连续流序批反应工艺的改良版。这种方式处理过后的污水能达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的要求，MSBR工艺能够有效除去水体中的氮、磷等，但是其效果受到某些因素的影响。

其中，Ⅰ阶段，是指由于热弹性效应引发的近似线性的温度减少阶段。Ⅱ阶段，是指由于钢材内部微观损伤与热弹性效应引发的非线性温度减小阶段。Ⅲ阶段，是指由于钢材微损伤扩展与合并引发的温度不断增加阶段。综上，在拉伸不断开展过程中，拉应力持续增加，样品局部出现错位运动与滑移等屈服状态，内摩擦、塑性变形以及其他不可逆变化导致热耗散速率持续上升，同时在温度变化中具有主导地位，所以样品温度持续增加，最终造成断裂。所以材料的表面温度变化情况和内部塑性变形之间具有紧密关联。

3.2.1 力学性能

在一些金属材料中，若是交变应力比其疲劳极限低，不会累积疲劳损坏，可以忽略由于滞弹性效应、黏性效应以及其他非塑性效应造成的温升值。基于循环荷载条件，样品表面温升信号和循环应力幅具有以下关系：

一块记作A板，另一块记作B板（进行中间调整以及时效处理，即热处理过程）。之后沿试件轧制方向进行矩形截面的平板试品制作，其标距尺寸如下：200＊12＊6mm。

借助传统方法获得疲劳极限如下：σ

=274MPa、σ

=310MPa。两种方法获得疲劳极限误差保持在5%左右。见下表3。

所以，红外热像手段可以对各种热处理材料疲劳性能展开准确、快速分析。借助对比表2以及表3能够发现，钢板通过固溶化处理以及中间调整等热处理之后，钢材疲劳极限提升13.1%、屈服极限强化23%、强度极限强化24.5%。所以，可以确定FV520B钢材的力学性能得到强化主要是由于热处理工艺对其显微组织结构与成分进行优化，所以充分提升了基体组织连续性以及均匀性。

（2）实验方法。开展疲劳实验活动前，借助细砂纸打磨A板和B板棱角边缘，进而促使疲劳微裂纹形成过程进行有效缓解。为了保证红外热像仪能够充分监测试样表面的温度场信号的变化规律，在样品表面均匀喷涂黑色亚光漆，进而减少反射光影响，并强化表面的热辐射率。

2) 运输时间.货物在运输时所消耗的时间长意味着货物占用资金的时间长，会导致货物成本的增加.通过降低运输时间可以吸引顾客，提高运营商(水上“巴士”)的市场份额[13].因此运输时间是影响货主选择路径的重要因素，主要包括节点间的运输时间及节点处中转时间.

借助FEI Quanta200显微镜观察分析A板和B板宏微观疲劳断口形貌特征。见下图2。

其中，a图为A板，b图为B板。断面涵盖3个区域，第一，边界棱角位置、试件疲劳微裂纹出现区。第二，疲劳裂纹稳定扩展区。第三，裂纹失稳造成的瞬断区。虽然均涵盖疲劳断裂特征，然而以宏观层面观察，A板与B板局部特征之间区别显著，表明热处理在A板以及B板抗疲劳机理方面存在一定影响。

分析A板疲劳断口裂纹区形貌，试样边界棱角位置是疲劳裂纹主要发生部位，和轴向应力之间成45°部位，之后裂纹拓展面和轴向应力之间保持垂直状态。因为，只做固溶，强化相未能均匀析出；稳定化处理和时效处理基本不改变晶粒尺寸，固溶处理有细化晶粒的作用，因此，A板缺乏良好塑性与韧性等性能，进而造成裂纹拓展区出现不规则现象，也没有显著的疲劳弧线。基于循环载荷条件，裂纹上面与下面持续张开合并，同时相互摩擦，进而使得裂纹稳定扩展区更加平整。对于瞬断区，其和主应力方向之间夹角在45°左右，由剪切应力造成。在瞬断区与稳定扩展区过渡部位，出现了少量疲劳辉纹，互相平行。因为A板中晶粒粗大，缺乏良好塑性，因此瞬断区中存在小而浅、少量韧窝。见下图3。

(1)验证了水是TSR反应发生的必要条件，在无水条件下 ，CaSO4不能引发TSR反应生成H 2 S。

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其中，a图为裂纹源区，b图为裂纹扩展区，c图为瞬断区，d图为二次裂纹与韧窝。

分析B板疲劳断口裂纹区形貌，在试样表面边界棱角部位经常出现疲劳微裂纹，基于循环载荷条件，微裂纹主要沿着和轴向之间夹角为45°的剪切应力方向进行拓展。进行循环周次处理后，由于微裂纹持续合并以及成核，所以会产生主裂纹，其主要沿着与轴向载荷相垂直方向拓展。然而裂纹尺寸小，并且拓展速度慢，可以缓慢释放裂尖塑性，促使样品表面发生局部热点区。裂纹进行拓展时，由于裂纹监督持续出现锐化以及钝化现象，因此在各种拓展时刻中均会出现疲劳弧线，互相之间相互平行，彼此之间的间距在裂纹长度以及循环应力持续增加过程中，也会持续增大。此时裂纹尖端塑性变形能主要通过热能形式进行释放，进而造成裂尖位置温度快速增加。断口断面和轴向载荷之间夹角在45°左右。出现断裂之前，B板内部显微孔洞聚集、成核速度快，基于滑移系作用，在显微空洞不断增加过程中会造成断裂现象，引发韧窝断口问题，在杯锥状韧窝中能够发现第二相粒子。见下图4。

其中，a图为主裂纹，b图为疲劳辉文，c图为剪切唇，d图为第二相粒子与韧窝。

借助对A板以及B板样品宏微观疲劳断口特征进行分析，B板由于进行了时效处理以及中间调整，所以显微组织分布以及结构等均得到优化，同时得到晶粒细化，促使单位面积中晶粒数目不断增加，增大了晶界面积，另外，晶粒内部与晶间中第二相粒子增多，在彼此之间共同作用下，促使FV520B钢材抗疲劳裂纹以及拓展水平得到充分提升。试样边界棱角部位出现疲劳裂纹的关键原因就是，与内部晶粒相比，此位置晶粒的约束更少，同时由于试样表面应力集中，使得滑移带易于在表面位向有利的晶粒处发生，并发展成微裂纹源。材料表面、过渡界面的粗糙度以及内部微观组织缺乏均匀性、连续性等，均会造成应力集中问题，为微裂纹发生以及拓展等提供良好条件。所以，优化表面光洁度、保证过渡截面足够光滑、对内部组织进行细化，可以对材料抗疲劳性能进行充分优化。同时，将残余压应力引入到材料局部表面中，并采用表面渗氮处理、喷丸处理等方法提高表面晶粒约束力，可以充分控制其疲劳裂纹问题，延长构件使用期限。在高周疲劳方面，循环应力较低，微裂纹经常出现在大尺寸晶界、表面晶粒以及非金属包含物中，所以热处理工艺是强化金属材料抗疲劳性能的关键方法。

4 结语

综上所述，时效热处理以及中间调整等特殊处理工艺促使FV520B钢材内部微观结构得到充分优化，充分强化FV520B钢材力学性能。另外，红外热像手段，研究材料疲劳的关键方法，通过材料表面的温升信号波动规律对其疲劳参数进行研究，可以对各种热处理工艺的金属材料疲劳参数进行准确、快速地确定。

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