分享：热处理工艺对50CrVA弹簧钢表面状态和疲劳性能的影响

弹簧钢由于具有强度高、抗疲劳性和抗弹减性好等特点，因此常用来制造减震缓冲、储能、传动、支撑等零件，在飞机制造中起着重要的作用[1]。其中，50CrVA弹簧钢具有淬透性好，疲劳强度高，屈服比高等优良特性，钒的加入使钢的晶粒细化，降低过热敏感性，提高了强度，因此50CrVA弹簧钢具有良好的力学性能和工艺性能，是一种较高级的弹簧钢，广泛用于各种机械[2−3]。

真空热处理作为一种提高热处理质量的手段，和空气热处理相比具有无氧化、无脱碳、变形小、污染小等特点[4]。空气热处理工艺需要在零件热处理后进行吹砂工序以去除氧化皮，而真空热处理工艺不需吹砂工序，因此2种热处理工艺对零件表面状态的影响不同，进而可能导致疲劳性能产生差异。

基于此，本文通过试验研究真空、空气热处理工艺对50CrVA弹簧钢疲劳性能和显微组织的影响，为弹簧钢的工程应用提供一定的参考依据。

1.   试验材料及方法

本试验所选用弹簧原材料为50CrVA，热处理的淬火温度和回火温度分别为850和385 °C，热处理完成后进行疲劳试验。

疲劳试验：室温下高周疲劳，应力比R=0.06，试样应力集中系数Kt=1，试验频率在120±15 Hz。试验包括2部分：成组法和升降法。试样的断口扫描，经超声波清洗后，在扫描电镜下进行观察，对宏观断口和微观断口进行拍照，分析失效模式、裂纹源位置等。试验在4台仟邦QBG-50型高频疲劳试验机上进行，断口扫描在TESCAN Vega III型扫描电子显微镜上进行。

2.   试验结果与分析

2.1   热处理工艺的影响

50CrVA光滑试样轴向拉伸高周疲劳应力–寿命（S–N）曲线如图1所示，成组法和升降法的有效试验结果均列于图1（图中右侧标注数字表示使用升降法时在对应强度下的试件数量）。

同一载荷水平下，真空热处理数据点基本全部在空气热处理数据点的右侧，说明真空热处理的疲劳寿命更长。真空热处理曲线整体在空气热处理上方，说明具有更高的疲劳极限。因此可见，真空炉热处理试样的高周疲劳试验结果明显优于空气炉热处理结果。表1中可见，50CrVA弹簧钢空气热处理的中值疲劳极限为816.7 MPa，为材料屈服强度的50.4%；真空热处理的中值疲劳极限为1067.9 MPa，为材料屈服强度的64.0%。两者相比较可见，真空热处理的中值疲劳极限提高了251.2 MPa，提升了30.8%，提升效果显著。

因此，50CrVA室温下的高周疲劳试验结果表明，真空热处理的疲劳性能显著优于空气炉热处理。

2.2   热处理工艺对断口形貌的影响

观察断口形貌（图2和图3），断口上形成放射线状花纹，放射线收拢处即为裂纹源产生区域。2种热处理工艺的疲劳裂纹均产生于试样表面，为单裂纹源起裂。疲劳裂纹从试样表面一点处产生，随后疲劳裂纹从表面向内部稳定扩展，形成较为平整光洁的疲劳区断口，离裂纹源越远，裂纹扩展速率越快。当裂纹扩展超过裂纹临界尺寸，则发生瞬间断裂，形成瞬断区，断口表面起伏明显。由于是表面单源起裂，材料的表面状态对疲劳裂纹寿命有很大影响[5]。

2.3   热处理工艺对表面状态的影响

由于是表面单源起裂，材料的表面状态对疲劳寿命影响很大。对试样的表面状态进行观察（见图4），空气热处理试样表面存在明显的划痕、擦伤、尖锐的槽或坑等缺陷，表面粗糙度大。这是由于空气热处理工艺采用吹砂去除试样表面的氧化锈蚀，砂粒高速冲击试样表面去除氧化皮的同时在试样表面造成损伤，形成不连续的塑性变形，由此造成表面粗糙度的增加，不连续表面加工硬化造成表层材料性能的不均匀分布。这些特征引起微观表面应力集中，为疲劳不利因素，促进了疲劳裂纹源区的产生。真空热处理工艺不经过吹砂工序，试样表面未形成氧化皮，保留热处理前的表面形貌，仍是典型的机加表面，偶见机械抛磨留下的少量较浅的划痕，表面粗糙度小，表面质量均匀，因此推迟了疲劳裂纹的产生时间，其疲劳性能更优。

3.   结束语

（1）50CrVA采用真空热处理工艺的室温高周疲劳性能显著优于空气热处理工艺，真空热处理的中值疲劳极限比空气炉热处理提高了30.8%；

（2）2种热处理工艺的断口形貌无明显差异，断口上仅存在一个裂纹源，且裂纹起源于试样表面，即表面单源起裂；

（3）材料的表面状态对疲劳裂纹寿命影响较大，空气热处理工艺的吹砂工序去除氧化皮的同时在试样表面形成划痕、擦伤、尖锐的槽或坑，引起表面粗糙度增大，且表面形成不连续的塑性变形造成表层材料性能的不均匀分布，引起微观表面应力集中，降低疲劳性能。真空热处理工艺不需吹砂，表面状态好，疲劳性能更优。

参考文献

[1]杨兰香. 弹簧钢材质发展综述. 特钢技术,1998(Z1):14doi: 10.16683/j.cnki.issn1674-0971.1998.z1.003

[2]姜英禹. 50CrVA弹簧钢的研制开发. 新疆钢铁,2003(3):1doi: 10.3969/j.issn.1672-4224.2003.03.001

[3]田琴,雷源源,杨明,等. 50CrVA弹簧生产过程中的断裂分析. 铸造技术,2010,31(3):359

[4]《航空制造工程手册》总编委会. 航空制造工程手册: 热处理. 2版. 北京: 航空工业出版社, 2010

[5]秦晓峰,刘世永,李辉,等. 表面状态对60Si2CrVATi弹簧钢疲劳性能的影响. 大连交通大学学报,2008(2):74doi: 10.3969/j.issn.1673-9590.2008.02.019

文章来源——金属世界