滲碳鋼樣品的殘余壓應力預測模型

滲碳是一種熱處理方法，涉及到將鋼材置于電爐或其他封閉空間內的碳密度環境中，Z終目的是提高表面材料的硬度、抗疲勞性和耐磨性，并在表層引入殘余壓應力(RS)。對于滲層硬化，末端材料在某些循環加載場景下表現得更好，因為材料的加熱和淬火以及碳的吸收會導致滲層硬化，增加材料強度，同時使零件心層保持韌性。類似地，貫穿硬化通過整個材料的厚度使材料強度增加。在這兩個過程中，在表面及其附近也能獲得有益的殘余壓應力，進一步提高疲勞性能。這種熱處理方法經常應用于汽車和金屬沖壓行業，以及其他使用鋼部件的行業，以使零件更加堅固和可靠，以便其能夠更好地承受使用中的應力。

圖1：BCC與FCC晶體結構

因為許多進行滲碳的部件都是安全關鍵部件，所以了解材料內部的RS分布是非常重要的。能夠測量和預測具有特定殘留奧氏體(RA)百分比或采用特定表面處理的部件的應變和應力，可以幫助制造商了解和提高其部件的性能。

滲碳后，材料的RS狀態發生改變。1此外，雖然材料中的奧氏體在滲碳后通常不發生轉變，但在服務加載期間可能會發生RA的轉換；2當它在輸入塑性應變能后轉變為未回火馬氏體時，表殼層發生體積變化，從而改變材料的RS剖面。

圖2：軸向裝載的鋼試樣上的引伸計

在以往對鋼構件進行滲碳處理的研究中，研究人員發現，由于殘余奧氏體的相變，材料的壓縮屈服應力(塑性變形開始的應力)高于拉伸屈服應力。3當RA轉變為馬氏體時，滲碳試樣的表殼層發生體積變化。這是因為奧氏體-馬氏體相變涉及到原子結構從面心立方(FCC)到體心立方(BCC)的變化，從而導致的體積膨脹。體積的變化也會影響組件的RS。4

特別是在循環裝載方面，RA在疲勞循環過程中發生轉變，轉變速率取決于疲勞循環過程中所賦予的塑性量。但不同的裝載光譜對RA和RS的影響不同。制造商將受益于在各種裝載條件下得到的RA和RS，以便他們能夠更好地了解其組件的性能和疲勞壽命。

圖3：滲碳透層試樣(A)和復合材料試樣(B)的應力-應變曲線 

在Liang、Pineault、Conle和Topper(2021)的一項新研究中，5對經表面硬化滲碳的16MnCr5鋼試樣進行了軸向載荷測試，以檢查RA轉變對材料中RS的影響。在Proto LXRD儀器上通過x射線衍射(XRD)對樣品的RA和RS進行測定。采用有限元模型(FEM)和協調模型來預測硬化材料裝載后的應力-應變行為及其RS曲線。

圖4：滲碳層樣品(A)和復合材料樣品(B)裝載前后的RA含量

用三種不同的方法對金屬試樣進行熱處理，從而形成以下組：表面硬化復合材料、滲碳層，以及模擬芯。經硬度測試，復合材料樣品的殼層和芯層的硬度接近于滲碳后的殼層和模擬芯層的硬度。

首先，對滲碳層和硬化層復合材料進行了拉伸和壓縮應變試驗。當RA轉換時，在應力-應變曲線上可以看到相應的體積膨脹。在樣品進行RA轉換時，它們在拉伸裝載的相同應力水平下表現出高應變，而在相同應力水平下，壓縮載荷下的應變較低。此外，從圖3的應力-應變曲線的偏差可以看出，RA轉變是從塑性變形開始時才開始的。該發現與之前的研究一致。6-11

在滲碳層的滲碳實驗中，拉伸和壓縮應力-應變曲線的位置，以及不含RA的深凍試樣的曲線表明，RA在拉伸應變時的轉變比在壓縮應變時要大得多。從拉伸曲線上可以清楚地看出，其屈服應力低于深凍樣品，而壓縮曲線具有較高的相對屈服應力。同樣，表面硬化的復合材料在拉伸載荷下也顯示出更大的RA分解百分比(圖4)。

圖5：由配伍性和FE模型生成的RS譜圖與實際的XRD結果比較。

圖(A)和(B)為單周期載荷情況， 圖(C)和(D)為單周期+錐度載荷情況

從上面的圖3可以清楚地看出，復合材料樣品(B)在經過拉伸裝載后，其RA轉變的百分比比殼體樣品(A)大。為了理解出現這種情況原因，我們必須首先考慮復合材料樣品在滲碳和應變誘導RA分解后的RS狀態。當殼體層中具有雙軸壓應力(縱向和環向)時，復合材料試樣比滲碳后試樣具有更高的剪切應力。在施加縱向應變的情況下，復合材料試樣會比滲碳后的試樣有更高的剪切應力。較高的剪應力會導致復合材料表殼層較早的變形，這可以解釋復合材料表殼層RA的顯著變化，因為RA的變化與試樣的塑性程度有關。

下一步，研究人員想要確定在滲碳過程中RS是如何產生的。使用25層的有限差分模型(包括模擬樣品在表面硬化后的碳分布)確定任何裝載前的RA體積分數剖面。該RA剖面以及碳剖面被外推，并用于模擬硬化試樣每一層的應變變化。

一旦研究人員獲得了每一層的模擬應變數據，他們就開始計算硬化試樣中的RS值。為此，他們開發了一個兼容模型和一個FEM模型，在這些模型中，他們之前獲得的應變值被用作初始RS計算的輸入。通過兼容性模型，他們確定了整體縱向應變，然后確定了硬化試樣每一層的應力。通過FEM，他們能夠估計樣品中的縱向和環向應力。

基于他們的研究結果，兼容模型提供了相對準確的縱向RS曲線，而FEM能夠準確預測環面RS值。

為了研究RA和RS隨著裝載的變化，Liang等人對復合材料試樣試用了四種不同的裝載光譜：±1%單周期裝載、±0.5%單周期裝載、±1%單周期+錐度裝載以及±0.5%單周期+錐形裝載。Proto在每個裝載模式后對殼層進行XRD測量，這使得他們能夠確定每個裝載序列下的RA轉化量。假設存在FCC-BCC組織變化(奧氏體-馬氏體相變過程期間)，那么計算相變誘導應變，并利用表殼層的應變擴展來生成修正的初始RS輸入。

從四種裝載場景前后的RA測量結果可以看出，±1%應變循環下的RA轉變量大于±0.5%應變循環下的RA轉變量。在錐形裝載場景中，后續裝載循環的應變大小逐漸減小，大部分RA在第yi次循環后發生轉變。

對于這兩個應變試驗，盡管存在對稱的拉伸和壓縮應力-應變輸入，模型預測到了不對稱的應力-應變行為。這一預測是由于在硬化試樣中存在RS。測量結果與模型的一致性相對較好，但由于材料偏差，顯示了出微小的差異。然而，在±0.5%應變測試中，由于考慮了環向RS,FE模型更準確地反映了樣品的測量結果。

進行了四次裝載試驗后，繪制了RS測量結果，并將其與預測的配伍性和FEM(圖5)進行了比較。隨著殼體層RA在應力作用下的分解，我們可以發現試樣的壓縮面RS在增大，這與之前的研究一致。根據生成的RS剖面，可以從該研究得出結論，使用修改的初始RS來解釋RA轉化誘導的應變變化是可取的。

考慮到與組件的RS狀態相關的重要安全性和性能影響，開發能夠預測滲碳后RS曲線的模型十分有用。滲碳是各種金屬工業中常用的方法，眾所周知，滲碳會產生殘余應力，制造商必須完全了解其部件的RS狀態，特別是裝載后的RS狀態，從而可以做出關鍵的安全決策。Liang等人通過開發兩種不同的模型，合理準確地預測了RA轉變后滲碳鋼中的RS分布，證明了RS可以非常接近，并為滲碳鋼構件的行為提供了有益的指導。這些預測與RA和RS測量技術(如XRD)結合使用，使制造商和工程師在其使用壽命的任何時刻都能更加清楚地意識到安全關鍵部件中的RS。

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