通过表面处理延长高强度钢疲劳寿命以提升其再利用潜力

这篇研究探讨了通过表面再处理技术（如机械抛光和电解抛光）延长预疲劳损伤的42CrMo4钢（调质马氏体钢）疲劳寿命的策略。研究采用四阶段方法：预疲劳加载（720 MPa, 5 Hz）诱导高周疲劳（HCF）损伤，通过扫描电镜（SEM）和磁巴克豪森噪声（MBN）分析表面微裂纹和亚表面持久滑移带（PSBs），再经表面去除约100 μm材料后，在630 MPa和1000 Hz条件下测试显示疲劳寿命提升12倍，为高强度钢的循环经济应用提供了科学依据。

　　

摘要

研究聚焦于通过表面再处理技术提升高强度钢42CrMo4的再利用潜力。通过四阶段实验设计，包括预疲劳加载、损伤表征、表面再处理及二次加载测试，证实机械与电解抛光联合处理可去除约100 μm表层损伤，使疲劳寿命较未处理样本提升12倍，但仅恢复原始材料寿命的三分之一。

1 引言

钢铁行业占全球CO₂排放的7%，传统回收需高能耗熔炼，而直接重用可减少87%碳排放。然而，疲劳损伤的不确定性阻碍了钢材重用。本研究提出基于表面再处理的解决方案，通过消除表面微裂纹和亚表面PSBs（深度≈5 μm），结合非破坏性检测（如MBN和热成像），建立可量化评估框架。

2 实验方法

2.1 材料选择

选用42CrMo4调质马氏体钢（硬度375±10 HV10），其化学成分（C 0.41%, Cr 1.02%）和热处理工艺（880°C淬火+550°C回火）确保微观结构均一性。

2.2 试样制备

通过电解抛光消除机加工缺陷，优化试样几何形状以适应1000 Hz共振测试（图1）。

2.3 疲劳测试

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  预疲劳加载（PL）：720 MPa, 5 Hz加载至75%寿命，诱导HCF损伤。

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  损伤分析：SEM和PFIB显示PSBs深度≈5 μm；MBN信号增强表明位错密度升高。

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  表面再处理：联合机械与电解抛光去除100 μm表层。

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  二次加载（SL）：630 MPa, 1000 Hz测试显示寿命从8.32×10⁴次提升至1.02×10⁶次。

3 结果

3.1 微观结构

EBSD分析显示马氏体板条和原奥氏体晶界（平均尺寸≈15 μm），为疲劳裂纹扩展提供路径（图3）。

3.2 S-N曲线

5 Hz与1000 Hz下的疲劳极限分别为575 MPa和550 MPa，频率影响较小（图4）。

3.3 损伤表征

MBN和热成像显示PL后磁畴活动增强（图5），SEM证实表面PSBs和微裂纹（图6），PFIB截面揭示亚表面空洞形核（图7）。

3.4 寿命提升

再处理试样寿命达1.06×10⁶次，但未完全恢复至原始状态（2.9×10⁶次），表明残余体积损伤存在（图8）。

3.5 断口分析

所有失效均为表面起源，无鱼眼特征，排除VHCF机制（图9）。

4 讨论

4.1 频率效应

高频（1000 Hz）未改变失效机制，但加速测试效率。

4.2 表面去除策略

保守去除100 μm确保损伤消除，未来需优化深度阈值。MBN与PFIB联用可指导工业级决策。

4.3 再利用潜力（RP）

定义RP=12.25（再处理寿命/损伤寿命）和RP*=0.33（再处理寿命/原始寿命），为安全重用提供量化指标（表2）。

5 总结

表面再处理显著延长疲劳寿命，但需结合NDT验证。未来将探索激光冲击强化等混合技术，推动高强度钢的循环经济应用。