SAE 4140钢原位扩散诱导微渗碳：通过可控气氛热处理调控表面完整性与抗扭性能

《Vacuum》：In-Situ Diffusion-Induced Micro-Carburization of SAE 4140 Steel: Tailoring Surface Integrity and Torsional Resistance via Controlled-Atmosphere Heat Treatment

　　

摘要

表面工程在增强高强钢在严重机械载荷下的可靠性方面起着关键作用。在本研究中，通过控制 SAE 4140 钢常规淬回火（Q&T）工艺奥氏体化阶段的气氛碳势，开发了一种原位扩散诱导微渗碳策略。在 0.8 wt.% Cp 条件下，无需额外的渗碳周期，便形成了一个浅层（40–50 μm）的富碳硬化层，产生了分级硬度分布，近表面最大硬度为 832 HV，而核心为 610 HV。实测硬度梯度与预测的碳扩散轮廓一致，支持扩散驱动的近表面改性。有限元分析表明，强化的近表面区域与机械关键表面区域重合，而在预测的失效起始点，0.8 wt.% Cp 条件下表现出更大的累积应变能密度。使用套筒组件进行的验证表明，扭矩容量提高了 22%，表面拉伸残余应力降低了 21%。疲劳测试显示出适度的强度 - 耐久性权衡，表明进一步优化近表面性能和残余应力状态可能会改善循环载荷性能。总体而言，受控气氛热化学处理提供了一种工艺集成、基于扩散的方法，以增强高强钢组件的抗扭性能。

引言

表面工程在增强承载钢组件的功能性能和可靠性方面起着关键作用。传统方法通常依赖于薄膜沉积技术，如物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD），这些技术能够在微 - 纳米尺度厚度上精确控制表面成分和显微组织 [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]。然而，对于承受严重剪切应力和循环载荷的传扭组件，此类涂层的有限厚度和界面性质可能限制其承载能力。对于这些应用，具有分级机械响应的冶金结合扩散层可能提供一种更适合强化机械关键近表面区域的手段。因此，扩散驱动的热化学处理提供了一种替代的表面工程策略。通过控制热处理期间的碳势，可以利用碳扩散来定制近表面成分和由此产生的性能，从而在没有额外涂层或单独表面处理步骤的情况下形成分级表层。

在轴承承扭应用中，表面引发的失效很常见，组件的机械可靠性受复杂应力状态和疲劳机制控制。先前的研究表明，热处理条件显著影响中碳钢的硬度和抗扭性能 [8], [9], [10]。在扭转载荷下，裂纹萌生和扩展表现出与轴向载荷下不同的特征。Chen 等人 [11] 报告称，顺序扭转 - 轴向加载会加速疲劳损伤积累，而 Murakami 等人 [12] 表明，剪切模式裂纹（II/III 模式）在达到临界尺寸时以约 45°过渡到张开模式（I 模式）裂纹。Akiniwa 等人 [13] 进一步指出，疲劳裂纹萌生对局部应力分布高度敏感，在高应力振幅下表面引发的失效占主导地位。总之，这些研究强调了近表面机械性能在控制扭转失效中的重要性。常规渗碳可以提供有效的表面硬化，但通常需要长时间的高温处理以达到实质性的硬化层深度，这可能增加处理时间和尺寸变形的风险。基于涂层的方法可以提供对表面组成的精确控制，但其有限的厚度和界面性质可能会限制在严重剪切和循环载荷下的承载能力。因此，仍然存在对结合足够的近表面强化、机械耐久性以及简单集成到现有热处理路线中的表面工程策略的需求。

为了解决这些局限性，本研究提出了一种基于常规淬回火（Q&T）工艺奥氏体化阶段受控碳势的原位微渗碳策略。选择 SAE 4140 钢作为模型材料，这是一种广泛用于传扭组件的代表性中碳低合金钢，具有有利的淬硬性和机械性能组合。拟议方法将近表面改性直接集成到常规热处理路线中，无需单独的渗碳周期即可形成浅层富碳层。系统研究了碳势对近表面显微组织特征、硬度梯度、残余应力状态和抗扭性能的影响。使用基于菲克第二定律的扩散模型将实验观测到的硬度梯度与碳传输联系起来，而结合 Cockcroft–Latham 准则的有限元模拟提供了对抗扭响应和失效行为的机械解释 [14], [15]。通过这种集成的实验 - 数值方法，本研究旨在阐明受控的近表面富碳如何影响 SAE 4140 钢的表面完整性和抗扭性。

章节片段

材料与热处理

使用商业 SAE 4140 钢棒（名义成分：C ～0.40 wt.%, Si 0.2 wt.%, Mn 0.8 wt.%, Cr 1.0 wt.%, Mo 0.2 wt.%, 余量为 Fe）作为基材，因为它们广泛应用于传扭组件，并且具有有利的淬硬性和机械性能组合。从原始状态钢棒中加工出直径为 6 毫米且具有均匀标距段的圆柱形扭转试样；试样几何形状如图 1 所示。所有试样均

碳势对表面显微组织的影响

图 2 展示了在奥氏体化期间经历不同碳势的 SAE 4140 试样的表面显微组织。在低碳势条件（0.3 wt.%，图 2a）下，与内部相比，在最外层表面观察到了明显的显微组织区域。结合第 3.2 节中描述的减小的近表面硬度，该特征与部分表面脱碳一致。观察到的表面改性可归因于向外

讨论

本结果表明，控制奥氏体化期间的碳势能够形成浅层（40–50 μm）富碳硬化近表面区域，这是通过扩散驱动机制实现的。在 0.8 wt.% Cp 条件下，最大近表面硬度达到 832 HV，而核心为 610 HV，在改性区域产生了显著的硬度梯度。这种分级机械响应对应于扭转

结论

在本研究中，通过控制常规淬回火（Q&T）工艺期间的气氛碳势，为 SAE 4140 钢开发了一种原位扩散驱动的微渗碳策略。主要发现总结如下：

• 1.
  在 0.8 wt.% Cp 条件下形成了约 40–50 μm 厚的浅层富碳硬化近表面区域。最大近表面硬度达到 832 HV，而核心为 610 HV。实测硬度梯度

CRediT 作者贡献声明

Wen-Hao Chiu: 方法论，调查，形式分析，数据管理。Te-Kang Tsao: 写作 - 审阅与编辑，写作 - 原始草稿，可视化，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报告的工作。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

作者 gratefully acknowledge 感谢 科技部（NSTC），台湾，提供的财政支持，资助编号 NSTC 115-2222-E-992-011。

Te-Kang Tsao|Wen-Hao Chiu

台湾科技大学机械工程系，高雄 80778，台湾