原创 Winter1984 iMechanics机械

表面硬化，大家最直观的理解是可以提高材料的表面硬度，增强耐磨性。但它也是提高材料疲劳强度的有效方法，你知道这是为什么吗？今天我们就来看看这背后的机理。

疲劳裂纹最常见的形核原因主要有三种，如上图所示。一是材料表面滑移位错，另外两种是材料内部缺陷引起的，比如内部异物夹杂，晶粒边界间隙（如缩孔）等。今天我们讨论表面硬化对疲劳强度的影响，假定材料没有缺陷，因此滑移位错是要重点考虑的。

当材料受到外力作用后，在微观尺度上会发生滑移，滑移带通过相互滑动产生挤出和侵入，如下图所示，这些滑移带以及挤出和侵入的相邻区域就充当了应力集中点，裂纹在此起源并发展。由于剪切应力占主导地位，裂纹通常以 45° 角的方向出现并拓展。处在零部件表面的晶粒相比内部的晶粒由于缺少周围晶粒的支撑，因而更容易较早的形成缺陷。

当我们对零部件做了表面硬化以后，大大提高了材料表面的硬度，而硬度又和金属的强度直接相关。硬度的增加意味着其抵抗塑性变形的能力增加了。与不进行硬化处理的软质材料相比，硬化后的材料产生滑移位错运动的可能性相对较低，如果观察显微照片就会发现硬化表面上基本观察不到比较明显的挤压或侵入，因而金属表面也就没有了由于滑移位错带来的应力集中，裂纹萌生的可能性也就大大降低了。这就是为什么表面硬化可以提高材料疲劳强度的主要原因。

当然还有一个次要原因，材料表面经过淬火硬化后通常能够在表面形成残余压应力，这种压缩残余应力也有助于抵抗疲劳裂纹的萌生和扩展，从而提高材料的疲劳寿命。

不过最后有两点需要提醒大家：一是如果零部件结构设计不合理或者淬火工艺控制不合理，硬化过程中可能带来开裂或微裂纹，成为疲劳失效的源头。二是如果硬化后的零部件需要做精加工操作，这些加工也可能会带来微裂纹（如磨削裂纹）或改变硬度分布、减少残余压应力甚至转变成拉应力，成为影响疲劳强度的一些不利因素。

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