Proces nitrowania obejmuje dyfuzję azotu na powierzchnię stali, tworząc twardą warstwę bogatą w azot. Ta warstwa składa się z azotków żelaza i innych azotków, znacznie zwiększając twardość powierzchni stali. Rezultatem jest bariera odporna na zużycie, która pomaga przeciwstawić się uszkodzeniu sił ściernych i stresu kontaktowego, które znane są przyczyniające się do awarii zmęczenia. W środowiskach o wysokiej stresce stwardniała powierzchnia zapobiega zużyciu materiału powierzchniowego, co w przeciwnym razie stworzyłoby nieprawidłowości, które służą jako miejsca inicjacji pęknięć. Zdolność do odporności na zużycie powierzchniowe bezpośrednio poprawia odporność na zmęczenie poprzez minimalizowanie potencjału inicjacji pęknięcia z powodu degradacji powierzchni.
Nitriding nie tylko zwiększa twardość, ale także znacznie poprawia ogólną integralność powierzchni stali. Wprowadzając atomy azotu, powierzchnia staje się coraz bardziej jednolita i gęsta, eliminując lub zmniejszając obecność mikro-szkiełków, porowatości i wad powierzchniowych. Niedoskonałości powierzchni, takie jak doły, zadrapania lub puste przestrzenie, mogą działać jako koncentratory naprężeń podczas powtarzających się cykli obciążenia, co prowadzi do przedwczesnego tworzenia pęknięć. Tworząc gładszą, bardziej wolną od defektów powierzchnię, azotowanie minimalizuje możliwość takich niedoskonałości, które w przeciwnym razie mogą powodować powstanie i rozprzestrzenianie się pęknięć. Ta zwiększona integralność powierzchni, szczególnie w warunkach wysokiej stresu, zapobiega inicjacji pęknięć, co jest niezbędne do utrzymania trwałości materiału przy obciążeniu cyklicznym.
Jednym z najbardziej krytycznych i korzystnych efektów azotowania jest tworzenie naprężeń resztkowych ściskających na powierzchni stali. Podczas azotowania azot rozprasza się do stali, powodując niewielkie rozszerzenie powierzchni, co powoduje naprężenia ściskające. Te naprężenia ściskające są bardzo korzystne, ponieważ przeciwdziałają naprężeniom rozciągającym, które są główną przyczyną inicjacji i propagacji pęknięcia w metalach. W materiałach, które podlegają cyklicznemu obciążeniu, naprężenia rozciągające mogą prowadzić do tworzenia mikrokreaków, które mogą ostatecznie wyrosnąć w większe pęknięcia. Wprowadzając naprężenia ściskające, azotowanie zwiększa odporność stali na inicjację pęknięć i sprawia, że jest mniej podatna na pękanie w powtarzających się cyklach obciążenia. Zjawisko to jest szczególnie cenne w komponentach narażonych na środowiska podatne na wysokie stres, takie jak części motoryzacyjne, koła zębate lub ostrza turbinowe.
W nieleczonej stali, gdy zacznie tworzyć się pęknięcie zmęczeniowe, może szybko rozprzestrzeniać się przez materiał, szczególnie w warunkach wahań lub naprzemiennych naprężeń. Jednak gdy stalowe pręty ulegają azotrowaniu, twarda warstwa azotrowana znacznie zmniejsza szybkość, z jaką pęknięcia mogą się rozprzestrzeniać. Stwardana powierzchnia i indukowane naprężenia resztkowe ściskające tworzą barierę odporną na wzrost pęknięcia. W szczególności warstwa azotrowana utrudnia postęp pęknięć, które mogą się tworzyć z powodu zmęczenia, spowalniając ich wzrost i zwiększając odporność materiału na katastrofalną awarię. Twarda, gęsta warstwa powierzchniowa zapewnia dodatkową wytrzymałość i wytrzymałość, która pomaga zapobiegać rozszerzeniu pęknięć, szczególnie w cyklicznych warunkach naprężeń. W rezultacie azotowane stalowe pręty Doświadcz dłuższego życia, nawet w wysoce wymagających aplikacjach, w których zmęczenie jest głównym problemem.
Podczas gdy azotowanie wzmacnia powierzchnię poprzez zwiększoną twardość, poprawia również wytrzymałość powierzchni, co jest ważnym czynnikiem odporności na zmęczenie. Wytrzymałość powierzchni odnosi się do zdolności materiału do wchłaniania energii i odporności na inicjację i propagacja pęknięć pod stresem. Proces nitrowania modyfikuje mikrostrukturę stali na powierzchni, promując wzrost zarówno wytrzymałości, jak i siły. Ta twardsza powierzchnia pomaga wchłonąć energię z uderzenia lub wahań obciążeń, co zmniejsza prawdopodobieństwo rozpoczęcia pęknięcia. W zastosowaniach o wysokiej stresce ta zwiększona wytrzymałość poprawia zdolność materiału do wytrzymania powtarzalnego obciążenia bez doświadczania szczelinowania lub rozprzestrzeniania pęknięcia na wczesnym etapie, które mogą wystąpić w nieleczonej stali. 33
