表面硬化，大家最直觀的理解是可以提高材料的表面硬度，增強(qiáng)耐磨性。但它也是提高材料疲勞強(qiáng)度的有效方法，你知道這是為什么嗎？今天我們就來看看這背后的機(jī)理。
疲勞裂紋最常見的形核原因主要有三種，如上圖所示。一是材料表面滑移位錯，另外兩種是材料內(nèi)部缺陷引起的，比如內(nèi)部異物夾雜，晶粒邊界間隙（如縮孔）等。今天我們討論表面硬化對疲勞強(qiáng)度的影響，假定材料沒有缺陷，因此滑移位錯是要重點考慮的。當(dāng)材料受到外力作用后，在微觀尺度上會發(fā)生滑移，滑移帶通過相互滑動產(chǎn)生擠出和侵入，如下圖所示，這些滑移帶以及擠出和侵入的相鄰區(qū)域就充當(dāng)了應(yīng)力集中點，裂紋在此起源并發(fā)展。由于剪切應(yīng)力占主導(dǎo)地位，裂紋通常以 45° 角的方向出現(xiàn)并拓展。處在零部件表面的晶粒相比內(nèi)部的晶粒由于缺少周圍晶粒的支撐，因而更容易較早的形成缺陷。
當(dāng)我們對零部件做了表面硬化以后，大大提高了材料表面的硬度，而硬度又和金屬的強(qiáng)度直接相關(guān)。硬度的增加意味著其抵抗塑性變形的能力增加了。與不進(jìn)行硬化處理的軟質(zhì)材料相比，硬化后的材料產(chǎn)生滑移位錯運(yùn)動的可能性相對較低，如果觀察顯微照片就會發(fā)現(xiàn)硬化表面上基本觀察不到比較明顯的擠壓或侵入，因而金屬表面也就沒有了由于滑移位錯帶來的應(yīng)力集中，裂紋萌生的可能性也就大大降低了。這就是為什么表面硬化可以提高材料疲勞強(qiáng)度的主要原因。當(dāng)然還有一個次要原因，材料表面經(jīng)過淬火硬化后通常能夠在表面形成殘余壓應(yīng)力，這種壓縮殘余應(yīng)力也有助于抵抗疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而提高材料的疲勞壽命。
不過最后有兩點需要提醒大家：一是如果零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理或者淬火工藝控制不合理，硬化過程中可能帶來開裂或微裂紋，成為疲勞失效的源頭。二是如果硬化后的零部件需要做精加工操作，這些加工也可能會帶來微裂紋（如磨削裂紋）或改變硬度分布、減少殘余壓應(yīng)力甚至轉(zhuǎn)變成拉應(yīng)力，成為影響疲勞強(qiáng)度的一些不利因素。
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