5、渗碳工艺对St37钢疲劳寿命的提升

渗碳工艺对St37钢疲劳寿命的提升

1. 引言

疲劳是工业零件失效的主要原因，是一个复杂的现象。疲劳寿命测试分为低周疲劳（LCF）和高周疲劳（HCF），二者的失效机制和裂纹扩展情况不同。根据加载应力（弯曲或扭转），疲劳测试主要有轴向（拉 - 压）测试和旋转（弯曲）测试两种类型，测试类型需根据零件的工作条件来选择。

热处理是影响疲劳寿命的重要参数之一，其中表面硬化处理，如渗碳、氮碳共渗和氮化等在工业中较为常见。渗碳是一种改善零件冶金性能的工艺，它通过间隙扩散机制增加零件表面硬度。具体做法是将零件置于含碳介质的特殊容器中，随着温度升高，碳气浓度增加并开始向零件内部扩散，碳的扩散使表面硬度提高。

低合金钢因来源广泛、成本低而被广泛应用，但在一些工程应用中，需要钢材具有硬化表面以抵抗磨损。研究表明，渗碳时间和温度会影响钢材的屈服强度和极限强度。接下来将研究渗碳温度对St37钢的影响，选取四个不同温度进行实验，测量渗碳样品的疲劳寿命并预测表面硬化深度。

2. 扩散公式

渗碳过程中碳浓度并非恒定，属于非平衡过程。碳原子从大气向铁介质的扩散遵循菲克扩散定律，其中菲克第一定律适用于稳态扩散，菲克第二定律适用于非稳态（非平衡）扩散，菲克第二定律可表示为：
[
\frac{dC}{dt} = D\frac{d^{2}C}{dx^{2}}
]
式中，$C(x, t)$ 是碳原子的浓度分布，$D$ 是扩散系数。扩散系数决定了气体（碳）在母材中的扩散速率，它与保温温度有关，计算公式为：
[
D = D_{0}\exp\left(-\frac{Q_{d}}{RT}\right)
]
其