夹杂物尺寸对汽车车轮用钢疲劳寿命的影响
非金属夹杂物在钢铁材料中的控制与影响
非金属夹杂物在钢铁材料中的控制与影响一、引言钢铁是工业和建筑行业的基本材料，因其具有高强度、高韧性、耐腐蚀性和可再生性等优良性能而被广泛应用。
然而，在钢铁制造过程中，夹杂物作为一种不可避免的缺陷，会影响到钢铁的性能和使用寿命，特别是非金属夹杂物。
因此，在钢铁制造过程中，控制和减少非金属夹杂物的含量是一项极为重要的任务。
二、非金属夹杂物及其对钢铁的影响非金属夹杂物是指在钢铁中存在的各种非金属物质，包括氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、磷酸盐等。
它们以不同形式存在于钢铁中，如块状、顶状、细球状等，可以对钢铁的性能产生多种影响。
1.机械性能的影响非金属夹杂物对钢铁的机械性能影响的主要表现是降低钢铁的韧性和强度。
当非金属夹杂物的大小和数量达到一定程度时，会对钢铁的塑性和韧性产生显著的负面影响。
2.腐蚀性能的影响非金属夹杂物也会降低钢铁的耐蚀性。
夹杂物与钢铁材料的组成不相同，容易引起钢铁中的局部电位偏移，形成小电池，进而引起钢铁表面的腐蚀和锈蚀。
3.物理性能的影响非金属夹杂物还会对钢铁的物理性能产生影响。
如氧化物夹杂物会降低钢铁的热传导性能和热稳定性能；硫化物夹杂物会导致钢铁的硬化和裂纹等。
三、非金属夹杂物的来源非金属夹杂物主要来源于以下几个方面：1.原材料钢铁制造的原材料中可能会含有各种非金属夹杂物，如氧化物、硫化物、氮化物、碳化物等。
2.生产工艺生产工艺中的加热、冷却、搅拌等过程中容易产生氧化物、硫化物、氮化物等夹杂物。
3.包覆材料包覆材料中的灰尘、毛发、砂石等也可能成为非金属夹杂物的来源。
四、非金属夹杂物的控制钢铁制造中，控制和减少非金属夹杂物的含量是一项极为重要的任务。
下面介绍几种常用的非金属夹杂物控制方法：1.优化原材料正确选择和处理原材料能够有效地控制夹杂物的含量。
如选用低氧含量的铁粉、石墨、硅铁等原材料，可降低氧化物含量。
2.改进制造工艺改进制造工艺是控制夹杂物的重要措施之一。
如优化加热和冷却过程，可减少氧化物、氮化物即其他夹杂物的产生。
超洁净轴承钢中夹杂物与滚动接触疲劳寿命的关系
超洁净轴承钢中夹杂物与滚动接触疲劳寿命的关系超洁净轴承钢是一种在生产制造过程中采取了严格控制材料化学成分、优化熔炼工艺、控制加工工艺等一系列措施以增加轴承钢的洁净度和纯净度的一种特殊材料。
其中夹杂物是指轴承钢中的非金属夹杂物，包括氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、硅化物等。
轴承在工作中受到很大的载荷和高速摩擦，因此在设计和制造过程中应尽量减少夹杂物的存在。
夹杂物对轴承钢的性能有明显的影响，特别是在轴承钢中的滚动接触疲劳寿命方面。
夹杂物对轴承钢的影响主要包括以下几个方面：1. 夹杂物会降低轴承钢的强度和韧性。
夹杂物的存在会导致轴承钢中的局部应力集中，从而形成劣化机理，使轴承钢易于断裂。
2. 夹杂物会增加轴承钢的表面粗糙度。
当轴承钢中存在大量夹杂物时，它们会在轴承表面形成微观凸起和坑洞，使摩擦表面不平整，从而增加了摩擦损失和能量消耗。
3. 夹杂物会降低轴承钢的抗氢能力。
夹杂物中的氢会在轴承钢的应力作用下聚集，形成氢脆现象，导致轴承钢的损坏和断裂。
滚动接触疲劳寿命是轴承钢性能的重要指标之一。
滚动接触疲劳寿命是指轴承在特定工况下能够承受多少次循环载荷而不发生疲劳断裂的能力。
夹杂物对滚动接触疲劳寿命的影响主要表现在以下几个方面：1. 夹杂物会形成应力集中点，加剧轴承钢的应力集中。
当轴承在高速旋转时，夹杂物周围会形成高应力区域，从而导致轴承钢的局部断裂。
2. 夹杂物会降低轴承钢的抗疲劳能力。
夹杂物的存在在轴承钢中形成应力集中区域，使轴承钢易于疲劳破坏。
因此，超洁净轴承钢对夹杂物的要求非常严格。
通过优化材料化学成分、改善熔炼工艺、控制加工工艺等一系列措施，可以有效减少轴承钢中的夹杂物含量。
超洁净轴承钢具有高强度、高韧性、高抗疲劳能力等优点，能够使轴承具有长寿命、高可靠性和高性能等特点。
总之，夹杂物对超洁净轴承钢的滚动接触疲劳寿命有明显的影响。
超洁净轴承钢通过减少夹杂物的存在，提高了轴承钢的强度、韧性和抗疲劳能力，从而延长了轴承的寿命，提高了轴承的可靠性和性能。
夹杂物及其对钢性能的影响
夹杂物及其对钢性能的影响（1）夹杂物的分类钢在加工变形中，各类夹杂物变形性不同，按其变形能力分为三类：1.脆性夹杂物一般指那些不具有塑性变形能力的简单氧化物（Al2O3、Cr2O3、ZrO2等）、双氧化物（如FeO·Al2O3、MgO·Al2O3、CaO·6 Al2O3）、碳化物（TiC）、氮化物(TiN、Ti(CN)AlN、VN等)和不变形的球状或点状夹杂物（如球状铝酸钙和含SiO2较高的硅酸盐等）。
钢中铝硅钙夹杂物具有较高的熔点和硬度，当压力加工变形量增大时，铝硅钙被压碎并沿着加工方向而呈串链状分布，严重破坏了钢基体均匀的连续性。
2.塑性夹杂物这类夹杂物在钢经受加工变形时具有良好的塑性，沿着钢的流变方向延伸成条带状，属于这类的夹杂物含SiO2量较低的铁锰硅酸盐、硫化锰（MnS）、（Fe, Mn）S等。
夹杂物与钢基体之间的交界面处结合很好，产生裂纹的倾向性较小。
3.半塑性变形的夹杂物一般指各种复合的铝硅酸盐夹杂物，复合夹杂物中的基体，在热加工变形过程中产生塑性变形，但分布在基体中的夹杂物（如CaO·Al2O3、尖晶石型的双氧化物等）不变形，基体夹杂物随着钢基体的变形而延伸，而脆性夹杂物不变形，仍保持原来的几何形状，因此将阻碍邻近的塑性夹杂物自由延伸，而远离脆性夹杂物的部分沿着钢基体的变形方向自由延伸。
（2）夹杂物对钢性能的影响大量试验事实说明夹杂物对钢的强度影响较小，对钢的韧性危害较大，其危害程度又随钢的强度的增高而增加。
4.夹杂物变形性对钢性能的影响钢中非金属夹杂物的变形行为与钢基休之间的关系，可用夹杂物与钢基体之间的相对变形量来表示，即夹杂物的变形率v，夹杂物的变形率可在v=0~1这个范围受化，若变形率低，钢经加工变形后.由于钢产生塑性变形，而夹杂物基本不变形，便在夹杂物和钢基体的交界处产生应力集中，导致在钢与夹杂物的交界处产生微裂纹，这些微裂纹便成为零件在使用过程中引起疲劳破坏的隐患。
夹杂物对钢材性能与生产顺行的影响
夹杂物对钢材性能与生产顺行的影响夹杂物是指在钢材中存在的一些异物，如氧化皮、氧化物、硫化物、夹杂气泡等。
这些夹杂物的存在会对钢材的性能和生产顺行产生一定的影响。
首先，夹杂物会对钢材的力学性能产生直接影响。
夹杂物的存在会降低钢材的强度和韧性，使其易于断裂。
夹杂物会导致钢材中的应力集中，从而加剧断裂的可能性。
此外，夹杂物还会影响钢材的延展性和可塑性，降低其变形能力和工艺性能。
这些力学性能的下降将直接影响钢材在使用过程中的可靠性和安全性。
其次，夹杂物会对钢材的腐蚀性能产生影响。
夹杂物的存在会破坏钢材表面的连续性，使钢材易于发生腐蚀。
特别是一些有害的夹杂物，如硫化物和氧化物，会加速钢材的腐蚀速度，缩短其使用寿命。
由于腐蚀会使钢材的断裂和损坏，因此夹杂物的存在对钢材的使用性能和耐久性有着重要的影响。
此外，夹杂物还对钢材的加工性能产生影响。
夹杂物会影响钢材的切削性能和焊接性能。
在切削过程中，夹杂物会导致切削刀具磨损加剧和加工表面粗糙度增加。
在焊接过程中，夹杂物容易成为焊接缺陷的起始点，导致焊接接头的质量下降。
因此，夹杂物的存在会影响钢材的加工效率和产品质量。
此外，夹杂物还会对钢材的热处理和热加工过程产生影响。
夹杂物的存在会干扰钢材的晶粒长大和相变行为，从而降低热处理的效果。
在热加工过程中，夹杂物会导致钢材易于开裂，影响产品的成形性和综合性能。
为了降低夹杂物对钢材性能和生产顺行的影响，可以采取以下措施：1.优化原料选择和质量控制，尽量避免夹杂物的产生。
2.加强钢材的清洁工艺，清除钢材表面的夹杂物。
3.通过合理的热处理工艺，尽可能使夹杂物迁移到钢材的边缘，减少对钢材性能的影响。
4.加强钢材的保护措施，减少钢材在储存和运输过程中的受污染风险。
5.加强钢材的检测技术，及时发现和排除含有夹杂物的钢材。
总之，夹杂物对钢材的性能和生产顺行有着重要的影响。
了解和控制夹杂物的存在对于提高钢材的性能和质量，确保钢材的安全可靠使用具有重要的意义。
夹杂物形貌对卡车车轮疲劳性能的影响
２． ０ ２． ５ 一
１０ ． — 一
０． ５ １５ ． １５ ．
２． ５ １０ ． １０ ．
为研 究不 同夹杂 物 的形貌 对 汽车 车 轮疲 劳性 的影 响 ， 制定 了三 种不 同的炼 钢工 艺 ， 简
述 如 表 ２ 。
表 ２ 三种冶炼工艺简 介
序号 Ｉ Ｉ Ｉ。 Ⅲ 冶炼方案 Ｋ Ｂ Ｆ＋（ Ｆ Ｒ 精 炼 Ｒ＋ Ｏ Ｌ ＋ Ｈ） Ｋ Ｒ＋Ｂ Ｆ Ｏ 优化 工艺 ＋无钙处理 Ｌ 精炼 ＋ Ｆ 保护 浇铸 Ｋ Ｂ Ｆ优化工艺 ＋钙处理 Ｌ 精 炼 ＋ 护浇铸 Ｒ＋ Ｏ Ｆ 保
Ｋ Ｒ脱 ｓ＋ 转炉脱 氧及渣系优化 ＋ Ｆ精炼 工艺优化 ＋Ａ 气 保护浇 铸工 艺可 以得 到理想 的夹杂 Ｌ ｒ 物形貌特征 ， 并提 出了卡 车车 轮钢夹杂物控制 的行 驶 中 承 受 超
将上 述冶 炼 工艺得 到 的各种 夹 杂物 的形
得到 的结 果较 为 理想 。
表 ３ 三 种 冶 炼 工 艺得 到 的 夹 杂 物 种 类 及 级 别
Ａ／级 Ｂ ／级 Ｃ ／级 Ｄ／ 级 Ｄｓ ／级
１ 实验钢成分及工 艺
实验 钢化 学 成分 见表 １ 。
表 １ 实验 钢 化 学 成 分
Ｉ
２． ０ 一 一
耐疲劳次数降低 ， 由于 Ａ类夹杂物 的存在 且 导致 了成 型开 裂 。
Ⅱ号 冶 金 方 案 得 到 的 夹 杂 物 以 Ｂ类 为 主 ， 布 在钢 板 的 中 心位 置 。 大 颗 粒 的 夹 杂 分
表 ４ 各方案对应的疲劳性能
备注 ： 当弯 曲疲 劳 超 过 ４ ５万 次 ， 向 疲 劳 超 过 ２ ０万 次 终 止 实 验 。 径 ０
且大 颗粒 夹杂 物 直 径 大 ， 量 多 ， 状 各 异 ， 数 形
夹杂物对钢性能的影响
夹杂物对钢性能的影响1．概要1.1 钢中非金属夹杂物的来源钢铁冶炼是一个非常复杂的物理化学过程。
随着冶炼技术的不断进步，钢的品质得到不断提升。
但是，不管采用何种先进的冶炼技术，钢中总还是不可避免地存在或多或少的非金属夹杂物，其来源大致为以下几方面：①脱氧、脱硫产物，特别是一些比重大的产物没有来得及排除。
②随着钢液温度的降低，S、O、N等杂质元素的溶解度下降，于是这些不溶解的杂质元素就呈非金属化合物在钢中沉淀。
③带入钢液中的炉渣或耐火材料。
④钢铁被大气氧化所形成的氧化物。
通常将前两类夹杂物称为内生夹杂物，后两类夹杂物称为外来夹杂物。
内生夹杂物的类型和组成取决于冶炼的脱氧工艺和钢的成分，尤其是与S、O、N亲和力强的元素含量，如Al、B、Mn、稀土、Ca等。
而与S、O、N亲和力弱的元素，如Ni、Co等，即使它们含量变化很大，对夹杂物也不产生明显影响。
外来夹杂物系偶然生成，通常颗粒大，呈多角形，为成分复杂的化合物，分布也没有规律。
在钢中的含量通常只占夹杂物总量的很小一部分，而且往往是难以确定的。
1.2 夹杂物对钢性能的影响钢中非金属夹杂物的存在通常被认为是有害的。
主要表现对钢的强度、延性、韧性、疲劳等诸方面的影响。
所以冶炼中应采取各种技术措施，尽可能降低其含量，并科学地调节夹杂物的类型、分布、形态等，使其对钢的性能的影响降低到最低限度。
①夹杂物类别的影响铝镇静钢在连铸时，高熔点的Al2O3夹杂物易粘在中间包的水口上面影响浇铸，可通过改变脱氧工艺使钢液中固态的Al2O3夹杂物变为液态的铝酸钙，就可以避免夹杂物在水口上面的粘结。
②夹杂物颗粒大小及分布的影响大而集中的夹杂物对钢的性能很有害，而分布弥散和细小颗粒的夹杂物，不仅其危害能消除，有时还有改善钢的性能的作用。
例如在室温下，Al2O3颗粒超过1μm时，钢的屈服强度和抗张强度降低，但当夹杂物颗粒小于0.3μm时，屈服强度和抗张强度都将提高。
钢液中有同等量的氧、硫含量时，对小型铸件，由于冷却速度快，夹杂物的颗粒小，分布均匀，对铸件的性能几乎不产生影响。
夹杂物尺寸和暗光区尺寸对高强度钢千兆周期疲劳性能的影响
ＳＪ Ｕ ２的千兆周期疲劳试验中， 现（ ｒＦ ）ｃ也 发 ｃ ，ｅ 可 成 为 内部 破 坏 的起 点 。其 结 果 ， 得 了 如 下 文 获 所报告 的夹杂物及 Ｏ Ａ尺寸与高强度钢千兆周 Ｄ
期 疲 劳特性 的 关系 。
２ 试 验方 法
物本身尺寸的关系更为密切这一说法显得更有说
杂物有着密切关系。产生最大影响的因素是夹杂 物 的尺寸 ， 形 状和 物理 ｌ 也给 予影 响 。而且 ， 但 生能
最 近 已弄清 了在 内部 断 裂的断 口上存在 着 被称 之
为 暗光 区 （ Ｄ Ｏ Ａ—Ｏ ｔ ａ ｙＤ ｒ ｒａ 的不 同 寻 ｐｉ ｌ ａｋ Ａ ｅ ） ｃｌ
破坏 ， 使用了经低温 回火 而提 高了硬度 的试样。
取 决 于 暗 光 区尺 寸 和 大 夹杂 物 尺 寸 的 一１６次 方 。 ／
１ 绪 言
测公式将夹杂物尺寸和坯料硬度作为参数能得到
简 便 和较好 的近 似关 系 已广 为人知 。但 在实 际工 作中， 通过 系统 地 改 变 钢 中夹 杂 物 的种 类 和 尺寸 来 调 查夹 杂物 与 内部断 裂特 性 的关 系所得 的结果 很 少 。这 种 研 究 在 困难 的 背 景 中存 在 着 ２个 问 题： ①在 达千 兆周 期 水 平 的 疲 劳 试验 中需 要 化 大
服力 。 迄今 为 止 ， 直 在 研 究 内部 断裂 特 性 与 夹 杂 一 物 的关 系 。其 中 ， 上等 人 提 出的 疲 劳极 限 的预 村
维普资讯
上
海钢Leabharlann 研 ２０ ０ ６年第 １ 期
夹杂 物尺 寸和 暗光 区尺 寸 对 高 强度钢 千 兆周期 疲 劳性 能 的影 响
摘 要 －对 Ｓ Ｍ ４ 和 Ｓ Ｊ 钢进行了高达 １ Ｃ ４０ Ｕ２ ０ 次循环的千兆周期疲劳试验。千兆周期疲劳性能试验结果被分成
超洁净轴承钢中夹杂物与滚动接触疲劳寿命的关系
超洁净轴承钢中夹杂物与滚动接触疲劳寿命的关系超洁净轴承钢是一种特殊的钢材，其主要特点是具有极高的纯净度和较低的夹杂物含量。
夹杂物是指钢材中存在的各种非金属物质，如氧化物、硫化物和氮化物等。
这些夹杂物对轴承钢的性能和寿命有着重要影响。
因此，研究夹杂物与滚动接触疲劳寿命的关系对于提高超洁净轴承钢的质量和使用寿命具有重要意义。
夹杂物对超洁净轴承钢的影响主要体现在以下几个方面。
首先，夹杂物会降低轴承钢的强度和硬度。
夹杂物存在于钢材的晶界或内部，容易形成应力集中点，使轴承钢的抗拉强度和硬度降低。
这样一来，轴承钢在滚动接触过程中容易发生塑性变形和磨损，从而缩短了其使用寿命。
其次，夹杂物会影响轴承钢的疲劳强度。
夹杂物不仅易使轴承钢表面形成微裂纹，而且在公转过程中还会会加剧裂纹的扩展，从而导致轴承钢的疲劳失效。
所以，夹杂物含量越高，轴承钢的疲劳强度越低，其寿命也相应减少。
此外，夹杂物还会影响轴承钢的粘着磨损性能。
轴承工作时，轴和轴承内圈、外圈之间会出现摩擦，夹杂物的存在会加剧摩擦的强度和程度，导致轴承钢表面出现磨损和腐蚀，从而降低了轴承钢的粘着磨损性能。
为了提高超洁净轴承钢的性能和寿命，我们可以采取以下措施：首先，对于生产过程中容易产生夹杂物的环节，应加强监控和控制。
比如，在熔炼和凝固过程中，加强炉膛和浇注系统的清洁工作，减少夹杂物的生成。
其次，可以采用热处理技术来改善轴承钢的性能。
热处理可以通过固溶、沉淀或相变等方式，使夹杂物发生变化，从而改善轴承钢的结构和性能。
此外，定期进行超洁净轴承钢的检测和评估也是提高使用寿命的重要手段。
通过对夹杂物的含量和形态进行分析，及时发现问题并采取相应的措施，可以有效地延长超洁净轴承钢的使用寿命。
总之，夹杂物与滚动接触疲劳寿命有着密切的关系。
夹杂物的存在会降低轴承钢的强度、硬度和疲劳强度，影响轴承钢的粘着磨损性能。
通过加强生产控制、优化热处理工艺和定期检测评估，可以降低夹杂物的含量和影响，提高超洁净轴承钢的质量和使用寿命。
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对于基体中的大尺寸夹杂物，小尺寸夹杂物对疲劳寿 命的影响较小，在多源起裂的试样中，疲劳寿命强烈的 依赖于基体中存在的最大夹杂物尺寸，其产生的畸变 导致严重的应力集中，所以疲劳寿命不是很高。疲劳
寿命主要与基体中存在的最大尺寸夹杂物有关，受小 尺寸夹杂物的影响较小。
寸在２５“ｍ左右的大夹杂物，严重破坏了基体的连贯 性，产生较大的应力集中。对于以团簇状态存在的小
ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｎｏｒｍａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ ｓｔｅｅｌ Ｗａｓ
ａｒｅ
ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ．Ｔｈｅ
ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋｓ
ａｌｌ ｉｎｉｔｉａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ
图４疲劳断口裂纹源处ＳＥＭ照片和能谱图
（ａ）Ｌ试样裂纹源；（ｂ）Ｇ试样裂纹源
Ｌ试样、Ｇ试样的平均疲劳寿命分布为：１７８万次，
Ｌ、Ｇ试样疲劳开裂的裂纹源明显不同，对于Ｌ试
１１９万次；Ｌ试样、Ｇ试样断口上的夹杂物平均尺寸分
别为：１１．３５斗ｍ，２０．４８斗ｍ。对比发现，Ｌ试样的夹杂
样，作为裂纹源的夹杂物一般存在于试样内部，这些夹 杂物多呈球形，与基体的界面脱离。在试样表面和亚
ｔｈｅ ｃｒａｃｋ
ｓｏｕｒｃｅｓ
ａｒｅ
ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｉｚｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｗｈｅｅｌ
ｓｔｅｅｌ；ｆａｔｉｇｕｅ
ｌｉｆｅ；ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ；ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｉｚｅ ｏｆ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ
近年来，随着汽车的轻量化和高性能化以及重载 运输的发展，对车轮的安全性和可靠性提出了更高的 要求。车轮是汽车重要的部件，它的结构及性能直接 影响整车的安全技术性能。车轮的破坏形式以成型破 坏和疲劳失效破坏为主，其中８０％以上由疲劳失效破 坏引起，因此车轮的疲劳寿命是车轮最重要的性能指 标…。基体中存在的夹杂物对车轮钢的疲劳性能有 很大的影响，特别是大尺寸夹杂物对疲劳性能有致命 的影响，尤其在高周疲劳实验中，长寿命区疲劳破坏主 要起源于钢中的大尺寸非金属夹杂物Ｂｊ。车轮钢向 高强度和长寿命发展是当前车轮钢生产和应用中表现 出来的趋势，迫切需要提高车轮钢的强度和延长疲劳 寿命，为此研究夹杂物对疲劳寿命的影响成为当前车 轮钢研究的主要方向之一【３。４
ｆａｔｉｇｕｅ
ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ
ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ
Ｑｕａｎｔａ
６００ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ
（ＳＥＭ）．Ｂａｓｅｄ
Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ
ｔｏ
ｔｈｅ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ
ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ，ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｉｚｅ ｏｆ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ＷａＳ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．
纹源处夹杂物尺寸大部分超过了临界尺寸。 关键词：车轮用钢；疲劳寿命；夹杂物；临界夹杂物尺寸 中图分类号：ＴＧｌ １５ 文献标识码：Ａ ．ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１３．０１．０２５
文章编号：０２５３—６０９９（２０１３）０１—０１０１—０５
Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ Ｓｉｚｅ
摘要：采用ＭＴＳ８５８电液伺服疲劳实验机研究了高强度车轮用钢的疲劳寿命，并用Ｏ．柚ｔａ ６００环境扫描电子显微镜对疲劳断口 形貌进行了观察。通过对实验数据分析，计算得出了夹杂物的临界尺寸，并根据正态分布理论对车轮钢的疲劳寿命进行了预测。
研究结果表明，疲劳裂纹均是从内部或者亚表面的夹杂物处萌生；能谱分析表明：夹杂物的成分主要是钙铝的氧化物，测量所得裂
杂物中主要存在的元素为Ｏ、Ａ１、Ｃａ，以Ａ：Ｏ，、ＣａＯ夹
杂物为主；Ｇ试样中除Ｌ试样中的夹杂物外，还存在少
图１试样尺寸
（ａ）拉伸实验；（ｂ）疲劳实验
量的条状ＭｎＳ夹杂物。
所有试样经线切割加工成毛坯，并留存足够的加
工余量。试样实验段用８００目砂纸进行仔细的机械抛
光处理，去掉表面横向加工刀痕的影响，同时减弱残余 应力的影响。 １．２实验方法 疲劳实验在ＭＴＳ８５８电液伺服疲劳试验机上完 成，根据国标《ＧＢ—Ｔ５３３４—２００５乘用车车轮性能要求 和试验方法》，在确定加载力下，研究其疲劳周次，以 此尽量匹配车轮的实际情况。其中，径向载荷的确定 两种工艺采用的是同一种轧制工艺，成分按照内 控窄成分控制，因此，Ｌ、Ｇ两试样的力学性能基本一 致，冶炼工艺的变化对力学性能的影响比较小，仅影响 了夹杂物等级。表２示出两种试样的力学性能。
ｓＤ砒Ｕｎｉ粥ｒｓｉｔｙ，嘶胁４１００８３，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ；Ｚ
ｗａｓ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｃｅｎｔｅｒ，Ｌｉａｎｙｕａｎ
Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｌｏｕｄｉ
４１７０００，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）
ｓｅｒｖｏ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｈｉｌｓｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｓｔｅｅｌ ｆｏｒ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｗｈｅｅｌ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ ＭＴＳ８５８ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ
表面处未发现作为起裂源的夹杂物存在。在裂纹源夹 杂物周围存在明显暗区，有高周疲劳典型的“鱼眼”疲 劳断口特征。对于Ｇ试样，疲劳开裂大部分起源于表 面或者亚表面的球形夹杂物或小夹杂物团簇，夹杂物
物尺寸明显小于Ｇ试样，且Ｌ试样中夹杂物的分散性 更好，发现小夹杂团簇的次数明显少于Ｇ试样，其疲 劳寿命也高。 两种板材疲劳裂纹源处夹杂物尺寸与疲劳寿命的
①收稿日期：２０１２－０９－２４ 作者简介：赵凤晓（１９８９一），男，山东聊城人，硕士研究生，主要研究金属强韧化。 通讯作者：许晓嫦（１９６３一），女，湖南湘乡人，教授。主要从事金属强韧化研究。
万方数据
矿冶工程
第３３卷
前段集中冷却。试样取自热轧成品板，厚度为４
ｍｍ。
试验用高强度车轮用钢的化学成分如表１所示。
Ｊ。
为对比夹杂物尺寸对疲劳寿命的影响，本文研究 了两种不同冶炼工艺（ＲＨ＋ＬＦ双联工艺和ＬＦ单联工 艺）制备的高强度车轮钢，与ＬＦ单联工艺相比，优化 后的ＲＨ＋ＬＦ双联工艺能有效去除钢中夹杂物，减小 夹杂物尺寸。
１试验材料及方法
１．１试验材料
实验材料均为国内某钢铁厂常规板带生产线所生 产的高强度车轮用钢，两种不同冶炼工艺（ＲＨ＋ＬＦ双 联、ＬＦ单联）试样分别编号为Ｌ、Ｇ。Ｌ、Ｇ生产工艺分别 为：铁水＿ＫＲ深脱硫－＋ＢＯＦ＿ＲＨ＋Ｌｒ（优化后）－＋ＣＣ ＿热轧；铁水＿÷ＫＲ深脱硫＿ＢＯＦ－＋ＬＦ＿ＣＣ＿热轧；热 轧ＦＤＴ温度均为８９０℃，ＣＴ温度为５８０℃，冷却方式为
ｍｍ
圆弧连接。所有试样厚度均为４ ｍｍ。如图ｌ所示。
图２组织观察照片
（ａ）Ｌ试样；（ｂ）Ｇ试样
图３为两种试样的ＳＥＭ照片，观察发现，Ｇ试样 基体中存在的夹杂物尺寸明显大于Ｌ试样，且存在球 形、三角形、不规则形状及条状等多种形貌的夹杂物， 较大夹杂物尺寸在２５¨ｍ左右，对夹杂物评级为Ｄ２．０ 级；Ｌ试样基体中存在的夹杂物形态较单一，尺寸较 小，夹杂物评级为Ｄ１．０级。能谱分析表明，Ｌ试样夹
表２两种试样的力学性能
墨■圈■圜暖霸圈圈—ｉ目圈墨萱一离■圜■翻蕾西圈墨—宣曷置蓝宣一
图３基体夹杂物ＳＥＭ照片
（ａ）Ｉ．试样；（ｂ）Ｇ试样
公式：Ｆ，＝ＫＦ。Ｋ取值２．２，Ｆ。为车辆或车轮制造商规
定的车轮额定负载值，取值９
８００
Ｎ，由此确定轴向加
载力为２０ ｋＮ，实验加载波形为正弦波，拉一拉加载方 式，应变比Ｒ＝０．１，共振频率为１１０ Ｈｚ。本文所采用 的实验加载力和实验频率接近实际应用。上述实验均 在大气中进行，温度为２０℃。用Ｑｕａｎｔａ ６００环境扫描 电子显微镜（ＳＥＭ）观察试样基体夹杂物与疲劳断口，同 时利用ＳＥＭ上附带的ＥＤＳ能谱仪分析夹杂物的成分。
表１
ｃ ０．０７ Ｓｉ ０．３０
２试验结果
２．１
车轮钢的微观组织和力学性能 图２为两种试样的光学显微观察照片。由图２可
试验材料的化学成分（质量分数）／％
Ｍｎ １．３５ Ｐ ０．０１５ Ｓ ０．００５ Ｎｂ ０．０２０ ＡＩ ０．０１５ Ｔｉ Ｆｅ
见，这种Ｌ、Ｇ试样均以铁素体为基体，在铁素体晶界 处弥散的分布着少量的珠光体及游离碳化物。晶粒尺 寸均在５０ Ｉ，ｚｍ左右，晶粒度评级为１１级。
部夹杂物，Ｇ试样裂纹大部分起源于表层夹杂物。 Ｌ、Ｇ试样典型裂纹源ＳＥＭ照片及能谱图如图４ 所示。
实验测量了疲劳断口上一些重要的特征参数，主 要是夹杂物尺寸及夹杂物所处位置，见表３。
表３疲劳断口夹杂物特征参数
雠。疲劳寿命夹杂物裂纹源夹杂物 件ｄ自 ／次 位置 平均尺寸／¨ｍ
堑里塞画壅垄塑垦皇些竺
最小 最大
由图５（ａ）可以发现，裂纹源处存在的最大夹杂物 尺寸与疲劳寿命呈现明显的反相关关系，对于疲劳寿 命高于１５０万次的试样中不存在大尺寸夹杂物，最大 夹杂物尺寸在１５斗ｍ以内；对于疲劳寿命低于５０万 次的试样中，均存在尺寸超过３０斗ｍ的大尺寸夹杂
物。由图５（ｂ）可以发现，起裂源处存在的最小夹杂物 尺寸与疲劳寿命的反相关关系不明显。分析认为，相
尺寸夹杂物，研究发现：即使单个夹杂物尺寸很小，在
３～５
ｕｍ之间，但是这些小尺寸夹杂物的团聚能够起
到大尺寸夹杂物的作用，如果把夹杂物团簇中每个夹
万方数据
矿冶工程
第３３卷
高，临界夹杂物尺寸减小，进而增加了夹杂物处作为开 裂源的可能性¨引。 ３．．２疲劳寿命预测 在疲劳试验的过程中所获得的疲劳寿命数据分散 性较大，如表３中疲劳寿命最大相差近一倍。如果只 是根据各种试验获得的疲劳数据很难对疲劳寿命有一 个准确的把握。疲劳寿命数据分散的原因很多，材质