Influence of nitriding on the fatigue behavior and fracture micromechanisms of nodular cast Iron

Abstract

Surface modification processes are increasingly used to fully exploit material potential in fatigue critical applications because fatigue strength is sensitive to surface conditions. Nitriding is extensively adopted with ferrous materials because it forms a hard and strong surface layer and a system ofsuperficial compressive residual stresses. Fatigue, however, is strongly dependent also on defects and inhomogeneity. When nitriding is applied to nodular cast iron (NCI), the relatively thin hardened layer (about 300 μm) contains graphite nodules (diameter of the order of 30 μm), casting defects and a heterogeneous matrix structure. The paper presents and discusses the influence of nitriding on the fatigue response and fracture mechanisms of NCI. A ferritic NCI and a synthetic melt with different content of effective ferrite were initially gas-nitrided. Then, (i) structural analysis of nitrided layers, (ii) fatigue testing with rotating bending specimens, and (iii) fatigue fracture surface inspection were performed. Performance and scatter in fatigue performance is discussed by selective inspection of fracture surfaces and identification fracture micromechanisms. A semiempirical model explains observed trends in test results and is used for the process optimization.

Процессы модификации поверхности все более широко применяются для полного раскрытия возможностей материала в условиях высоких усталостных нагрузок, поскольку на усталостную прочность влияет состояние поверхности. Азотирование широко используют для обработки железосодержащих материалов, поскольку оно создает прочный поверхностный слой и поверхностные остаточные сжимающие напряжения. Усталость также существенно зависит от дефектов и неоднородности. При азотировании чугуна с шаровидным графитом в относительно тонком упрочненном слое (примерно 300 мкм) присутствуют шаровидные включения графита (диаметр порядка 30 мкм), дефекты литья и неоднородная структура основы. Рассматривается влияние азотирования на характеристики усталости и механизмы разрушения чугуна. Сначала проводили газовое азотирование ферритного чугуна и синтетического расплава с различным содержанием активного феррита. Затем выполняли структурный анализ азотированных слоев; испытание на сопротивление усталости путем кругового изгиба образца; контроль поверхности усталостного разрушения. Эффективность и разброс усталостных характеристик оценивали путем выборочного контроля поверхностей разрушения и идентификации микромеханизмов разрушения. Полуэмпирическая модель используется для оценки результатов испытаний и оптимизации процесса.