齿轮是汽车重要组成部件，由于在高速下运转，齿轮表面的啮合部位必须具有较高的强度和耐磨性，齿根由于不断地承受重复载荷，必须具备良好的弯曲疲劳性能，以避免出现裂纹导致材料断裂。研究表明，脱碳是影响金属材料旋弯疲劳性能的重要因素，旋弯疲劳性能是衡量产品质量的重要指标，因此研究试验材料的脱碳行为和旋弯疲劳性能非常有必要。
本文采用热处理炉对 20CrMnTi 齿轮钢进行表面脱碳试验，分析不同加热温度对试验钢脱碳层深度的变化规律; 采用 QBWP - 6000J 型简支梁疲劳试验机对试验钢进行旋弯疲劳测试，测定试验钢疲劳性能，同时分析脱碳对试验钢疲劳性能的影响，为实际生产中改进生产工艺、提升产品质量等提供合理参考。
一、试验材料及方法
试验材料为某单位提供的 20CrMnTi 齿轮钢，主要化学成分如表 1 所示。脱碳试验: 将试验材料加工成 Ф 8 mm ×12 mm 的圆柱试样，表面要光亮无污渍。将热处理炉分别升温至 675 ℃、700 ℃、725 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃、1 000 ℃，放入试样并保温 1 h，然后空冷至室温。热处理后的试样经镶嵌、磨抛后，用4% 的硝酸酒精溶液侵蚀，采用金相显微镜观察试验钢脱碳层情况，测量不同温度下脱碳层深度。旋弯疲劳试验: 将试验材料按要求加工两组旋弯疲劳试样，第一组不进行脱碳试验，第二组进行不同温度下的脱碳试验。采用旋弯疲劳试验机，对两组试验钢进行旋弯疲劳测试，测定两组试验钢的疲劳极限，对比两组试验钢的疲劳寿命，采用扫描电镜对疲劳断口进行观察，分析试样断裂原因，探究脱碳对试验钢疲劳性能的影响。
二、试验结果与分析
加热温度对脱碳的影响
不同加热温度下脱碳组织形貌如图 1 所示。从图中可以看出，当温度为 675 ℃时，试样表面没有出现脱碳层; 当温度升到 700 ℃时，试样表面开始出现脱碳层出现，为较薄的铁素体全脱碳层; 随着温度升高到 725 ℃，试样表面全脱碳层厚度明显增加; 750 ℃全脱碳层厚度达到最大值，此时铁素体晶粒较为清晰、粗大; 当温度升到 800 ℃ 时，全脱碳层厚度开始明显减小，其厚度降为 750 ℃时的一半; 当温度继续升到在 850 ℃ 及以上时，试验钢全脱碳层厚度持续减少，半脱碳层厚度开始逐渐增加，直至全脱碳层形貌全部消失，半脱碳层形貌逐渐清晰。可见，全脱碳层厚度随温度的升高呈先增后减的趋势，出现这种现象的原因是由于试样在加热过程中同时进行着氧化和脱碳行为，只有当脱碳速度快于氧化速度时才会出现脱碳现象。开始加热时，全脱碳层厚度随温度的升高而逐渐增加，直到全脱碳层厚度达到最大值，此时继续升温，试样氧化速度较快，超过脱碳速度，抑制了全脱碳层的增加，导致其出现下降的趋势。可见，675 ～ 950 ℃ 范围内，750 ℃时全脱碳层厚度值最大，850 ℃ 时全脱碳层厚度值最小，因此，试验钢加热温度建议为 850 ℃。
相比半脱碳层，全脱碳层厚度对材料性能有更加严重的负面影响，它会大大降低材料的力学性能，如降低强度、硬度、耐磨性以及疲劳极限等，还会增加裂纹敏感度、影响焊接质量等。因此，控制全脱碳厚度对提升产品性能意义重大。图 2 为全脱碳层厚度随温度的变化曲线，更加清晰地展示了全脱碳厚度的变化，从图中可以看出，在 700 ℃时全脱碳层厚度只有 34 μm 左右; 随着温度升高到725 ℃，全脱碳层厚度明显增加，为 86 μm，比 700 ℃时全脱 碳层厚度的 2 倍还多; 当温度升高到 750 ℃时，全脱碳层厚度达到最大值 120 μm; 随着温度继续升高，全脱碳层厚度开始大幅下降，800 ℃ 时降到 70 μm，到 850 ℃时降到最小值 20 μm 左右。
脱碳对旋弯疲劳性能的影响
为研究脱碳对弹簧钢疲劳性能的影响，进行两组旋弯疲劳试验，第一组为不脱碳情况下直接进行疲劳试验，第二组是进行完脱碳行为后在同一应力水平下( 810 MPa) 进行疲劳测试，脱碳工艺为 700 ～ 850 ℃下保温 1 h。
第一组试样的疲劳寿命如表 2 所示。从表 2 可以看出，在不脱碳的情况下，试验钢仅在 810 MPa 应力水平下循环次数为 107 次，试样未发生断裂; 当应力水平超过 830 MPa 以上时，部分试样开始出现断裂; 当应力水平在 850 MPa 以上时，疲劳试样全部断裂。
为测定疲劳极限，特采用成组法测定试验钢疲劳极限，经过数据统计分析，测定试验钢疲劳极限约为 760 MPa; 为表征试验钢不同应力下的疲劳寿命情况，特绘制出 S - N 曲线，如图 3 所示。从图 3 中可以看出，不同应力水平对应不同的疲劳寿命，当疲劳寿命为 7 的时候，对应循环次数为 107 ，也就说明此条件下试样均为通过状态，其对应的应力值可近似看作疲劳强度值，即 760 MPa。可见，S - N 曲线对判定材料的疲劳寿命具有重要的参考价值。
第二组试样的疲劳寿命如表 3 所示。从表 3 可以看出，试验钢经不同温度脱碳处理后，循环次数明显减少，均超过 107 ，疲劳试样全部断裂，疲劳寿命大大降低。结合上述脱碳层厚度随温度的变化曲线可以看出，750 ℃ 时脱碳层厚度最大，对应的疲劳寿命值最低。850 ℃ 时脱碳层厚度最小，对应的疲劳寿命值相对较高。可见，脱碳行为大大降低了材料的疲劳性能，且脱碳层越厚，疲劳寿命越低。
疲劳断口分析
采用扫描电镜对试样疲劳断口形貌进行观察，如图 4 所示。图 4(a) 为试样裂纹源区，图中可以看出明显的疲劳弧线，根据疲劳弧线找到疲劳源，可见，裂纹源为“鱼眼状”的非金属夹杂物，夹杂物处易造成应力集中，产生疲劳裂纹; 图 4(b) 为裂纹扩展区形貌，可见明显的疲劳条纹，呈河流状分布，属于准解理断裂，随着裂纹不断扩展，最终导致断裂。
为判定图 4(a) 中夹杂物的类型，特对其进行能谱成分分析，结果如图 5 所示。可以看出，非金属夹杂物主要为 Al2O3夹杂物，说明该夹杂物是引起夹杂物起裂的主要裂纹源。
三、结论
( 1) 将加热温度定位 850 ℃ 可以获得最小的脱碳层厚度，以减小对疲劳性能的影响。
( 2) 试验钢旋弯疲劳极限为 760 MPa。
( 3) 试验钢起裂于非金属夹杂物，主要为 Al2O3 夹杂物。
( 4) 脱碳严重降低试验钢的疲劳寿命，脱碳层越厚，疲劳寿命越低。
参考文献略.