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QPQ盐浴复合热处理中渗氮温度对4145钢疲劳寿命的影响
随着钻井深度的增加,钻具服役工况越来越恶劣,钻杆疲劳失效问题日渐突
出。钻杆的失效带来严重的事故和巨大的经济损失,故研究钻杆的疲劳性能具有
直接工程意义。文章研究了4145钢在不同渗氮温度下盐浴复合处理(QPQ)后
对其疲劳寿命的影响。按照数理统计方法对疲劳实验结果进行分析处理,对比不
同渗氮温度工艺处理下的试样和原始试样的疲劳S-N曲线的差异。通过旋转弯
曲疲劳试验表明,QPQ处理可显著提高4145钢的疲劳寿命。在580℃渗氮温度
下,其疲劳极限提高幅度最大,比未处理试样提高约23.2%。利用扫描电子显微
镜对疲劳试样断口进行分析,分析盐浴热处理提高4145钢疲劳寿命的主要原因。
标签:P-S-N曲线;疲劳寿命;QPQ盐浴处理;断口分析
QPQ技术被广泛应用于工程制造领域、机械和汽车工业,以增强材料的耐
磨性、耐疲劳性和耐腐蚀性能。文章采用QPQ处理技术对4145钢进行表面改性
处理,重点探讨不同渗氮温度下QPQ复合处理对4145钢的疲劳寿命的影响,获
得提高4145钢疲劳寿命的最佳渗氮温度[1]。
1实验材料及方法
1.1实验材料
文章所用的实验试样为轧制态某井下工具用钢4145H,调质工艺为820℃双
液淬火+(600~630)℃高温回火,试样化学成分和机械性能如表1中所示。
试验所用的旋转疲劳试验机为PQ-6旋转弯曲疲劳试验机,转速为
3000r/min。根据《金属旋转弯曲疲劳试验方法》的规定,实验在室温下进行,
对称应力循环(R=-1)。
1.2实验方法
QPQ盐浴处理工艺:
用1200目的砂纸将所有试样表面预磨光整,并用丙酮或酒精清洗表面油污,
擦拭干净。将3组试样放入350℃空气炉中预热25min,以防试样入炉后盐浴温
差变化过大,另一方面预热后表面形成一层氧化膜,该膜有利于吸附氮原子促进
渗氮过程。预氧化后将试样按组分别放入520℃、550℃和580℃氮化盐浴中保温
2h,最后将氮化处理过的试样放入370℃氧化盐浴中保温30min。第4组试样未
处理,用作对比参考。处理后的试样,用2%的硝酸酒精溶液腐蚀其断面,用
EVO/MA15(德国蔡司)扫描电子显微镜对实验中的不同工艺参数处理下的疲劳
试样断口进行分析。
2实验结果与讨论
2.1实验结果
对未盐浴处理的试样进行旋转弯曲疲劳实验。试样的抗拉强度为1100MPa,
根据经验公式σ=σb选择第一次实验的应力大小为550MPa,应力梯度为15MPa,
然后根据上述实验方法进行实验。
计算各应力水平下对数疲劳寿命的平均值及标准差,将平均值结果作为数据
点的X轴坐标值,对应应力值作为数据点Y轴坐标值,然后对该组数据进行线
性拟合,得出应力-疲劳寿命曲线的Aav值为40.3187,Bav为-12.5370。同理将
标准差结果作为数据点X轴坐标值,对应应力值作为数据点Y轴坐标值,线性
拟合后得出Arms为1.5296,Brms为-0.5256。因此,对照公式(1)[2],得出该
4145钢的概率应力-疲劳寿命曲线为:
由图1可以看出,实验得到535MPa越出数据两个,550MPa越出数据三个,
565MPa越出数据两个,分别进行配对,得到七个对子。计算该组应力值的平均
值和标准差,得出S-1,av=557.5MPa,S-1,rms=12.2475。根据公式(1)得出
该4145钢在任意存活率和置信度下的疲劳极限值如下式所示:
实验研究可靠度为50%、90%和99%时材料的疲劳寿命的大小,即分别表明
只有50%、10%和1%的试样在达到预测的循环寿命次数前发生失效。将其对应
的概率分布函数值分别带入式(2)中,得出对应的疲劳极限值。同样将概率分
布函数值带入式(1)中得到该4145钢在中短寿命区的三条不同可靠度的S-N
曲线表达式。已知计算出对应这三个存活率下的疲劳极限值(置信度为95%),
以该极限值作为S-N曲线的拐点,将中短寿命区曲线与升降法得到的极限绘制
在一张S-logN图中,得出该4145钢完整的S-N曲线,如图1所示:
分析盐浴热处理渗氮温度对4145钢疲劳寿命的影响,将3
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