氢对60Si2CrVA弹簧钢超高周疲劳性能的影响

传统的疲劳数据往往局限于107周次以下，然而一些重要的机械零部件，如发动机部件、汽车承力运动部件、铁路轮轴和轨道、飞机、海岸设备等，往往承受高频低应力幅循环载荷的作用，其实际疲劳寿命要求已经超过了107循环周次。材料的超高周疲劳（VHCF）是目前国际疲劳界的一个研究热点。

　　通常在非金属夹杂物的周围存在一个特殊的区域，在扫描电镜下为一个粗糙的粒状亮区（GBF）。GBF区的形成对高强度钢的超高周疲劳破坏行为具有十分重要的影响，因为绝大部分如超过90%甚至99%的疲劳寿命消耗在GBF区的形成上。许多研究结果表明，氢可能在GBF区的形成过程中起着十分重要的作用。为此，针对常用的高强度弹簧钢60Si2CrVA，采用不同的处理工艺制备了3种不同氢含量水平的样品，进行了氢热分析及超声波疲劳试验，以期探讨对其超高周疲劳性能的影响规律。

　　试验用料为商业高强度弹簧钢60Si2CrVA，其化学成分（质量分数，%）为：C0.6000，Si1.5200，Mn0.5100，P0.005，S0.005，Cr0.5000，V0.1500，O0.0008，N0.0090。将上述试验料加工成标准拉伸试样（l0=5d0，d0=5mm）、超声波疲劳试样及测氢试样（Φ10mm×30mm），并进行不同的处理，以获得不同含量的氢。淬火＋回火处理的样品标记为QT，真空淬火＋真空回火的样品标记为VT，淬火＋回火处理后再进行充氢处理的样品标记为CH。其中样品CH和QT在普通空气电炉中进行热处理，而样品VT则在真空热处理炉中进行真空淬火＋真空回火处理。3种样品的处理工艺及氢含量见表1。

　　表1  试验料的处理工艺及氢含量（质量分数）

　　注：1）Q+T：900℃，30minOQ+410℃×90min AC；2）CH氢处理方法：0.1mol/L的NaOH水溶液中充氢72h，电流密度为10mA/cm2，在室温环境下放置36h。

　　利用TDS氢热分析及超声波疲劳等试验方法研究了3种不同氢含量的超高强度弹簧钢60Si2CrVA的超高周疲劳性能。试验结果发现：

　　（1）TDS分析结果表明，电解充氢样（CH样）的氢逸出曲线在低温侧（-200℃）有一个强的氢逸出峰，在高温侧（425℃）有一个弱的氢逸出峰；QT样和VT样则仅在450℃附近有一弱的氢逸出峰。

　　（2）随着钢中氢含量的增加，60SiCrVA弹簧钢的强度基本不变而塑性有较大程度的损失。

　　（3）试验料的超高周疲劳强度随钢中氢含量的增加而明显下降，通过非线性拟合的方法，得到了60Si2CrVA弹簧钢疲劳强度与氢含量的近似关系式。

　　（4）试验料的超高周疲劳破坏主要起裂于内部夹杂物且在夹杂物周围有明显的GBF区，随着氢含量的增加，GBF（粒状亮区）的面积显著增加。