夹杂物尺寸对汽车车轮用钢疲劳寿命的影响
钢中常存杂质对钢性能的影响

实际使用的钢中,除了含有铁、碳与合金元素外,在冶炼过程中,不可避免地要带入一些杂质(如锰、硅、硫、磷、非金属类杂质以及某些气体,如氮、氢、氧等)。
这些杂质对钢的质量有很大的影响。
1.锰锰在钢中作为杂质存在时,一般均小于0.8%。
它来自作为炼钢原料的生铁及脱氧剂锰铁。
锰有很好的脱氧能力,还能与硫形成MnS,以消除硫的有害作用。
这些反应产物大部分进入炉渣而被除去,小部分残留于钢中成为非金属夹杂物。
此外,在室温下锰能溶于铁素体,对钢有一定强化作用。
锰也能溶于渗碳体中,形成合金渗碳体。
但锰作为少量杂质存在时,它对钢的性能影响不显著。
2.硅硅在钢中作为杂质存在时,一般均小于0.4%,它也来自生铁与脱氧剂。
在室温下硅能溶于铁素体,对钢有一定的强化作用。
但硅作为少量杂质存在时,它对钢的性能影响也不显著。
3.硫硫是由生铁及燃料带入钢中的杂质。
在固态下,硫在铁中的溶解度极小,而是以FeS的形态存在于钢中。
由于FeS的塑性差,使含硫较多的钢脆性较大。
更严重的是,FeS与Fe可形成低熔点(985℃)的共晶体,分布在奥氏体的晶界上。
当钢加热到约1200℃进行热压力加工时,晶界上的共晶体已溶化,晶粒间结合被破坏,使钢材在加工过程中沿晶界开裂,这种现象称为热脆性。
为了消除硫的有害作用,必须增加钢中含锰量。
锰与硫优先形成高熔点(1620℃)的硫化锰,并呈粒状分布在晶粒内,它在高温下具有一定塑造性,从而避免了热脆性。
硫化物是非金属夹杂物,会降低钢的机械性能,并在轧制过程中形成热加工纤维组织。
因此,通常情况下,硫是有害的杂质。
在钢中要严格限制硫的含量。
但含硫量较多的钢,可形成较多的MnS,在切削加工中,MnS能起断屑作用,可改善钢的切削加工性,这是硫有利的一面。
4.磷磷由生铁带入钢中,在一般情况下,钢中的磷能全部溶于铁素体中。
磷有强烈的固溶强化作用,使钢的强度、硬度增加,但塑性、韧性则显著降低。
这种脆化现象在低温时更为严重,故称为冷脆。
钢材疲劳强度的影响因素

钢材疲劳强度的影响因素
钢材疲劳强度是指在循环荷载作用下,钢材所能承受的最大应力值。
疲劳强度的高低直接影响着钢材的使用寿命和安全性能。
那么,影响
钢材疲劳强度的因素有哪些呢?
1.材料的化学成分
钢材的化学成分是影响其疲劳强度的重要因素之一。
一般来说,含碳
量较高的钢材疲劳强度较低,而含硅、锰等元素的钢材疲劳强度较高。
此外,钢材中的夹杂物、氧化物等也会对疲劳强度产生影响。
2.材料的热处理状态
钢材的热处理状态也会影响其疲劳强度。
一般来说,经过正火、淬火
等热处理的钢材疲劳强度较高,而退火状态下的钢材疲劳强度较低。
3.应力水平
钢材的疲劳强度与应力水平密切相关。
在相同的应力水平下,钢材的
疲劳强度越高,其使用寿命也就越长。
因此,在设计和使用钢材时,
应根据实际情况选择合适的应力水平。
4.循环次数
循环次数也是影响钢材疲劳强度的因素之一。
在相同的应力水平下,循环次数越多,钢材的疲劳强度也就越低。
因此,在设计和使用钢材时,应尽量减少循环次数,以延长其使用寿命。
5.工作温度
钢材的工作温度也会影响其疲劳强度。
一般来说,钢材在低温下的疲劳强度较高,而在高温下的疲劳强度较低。
因此,在设计和使用钢材时,应根据实际情况选择合适的工作温度。
综上所述,钢材疲劳强度受多种因素的影响,其中材料的化学成分、热处理状态、应力水平、循环次数和工作温度是比较重要的因素。
在设计和使用钢材时,应根据实际情况选择合适的钢材材料和热处理状态,并合理控制应力水平和循环次数,以延长钢材的使用寿命和提高其安全性能。
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。
钢中非金属夹杂物对质量的影响及控制技术

钢中非金属夹杂物对质量的影响及控制技术夹杂物概念及分类1内生夹杂物钢在冶炼过程中,脱氧反应会产生氧化物等产物,若这些产物在钢液凝固前未浮出,将留在钢中;Mn+FeO → Fe+MnOSi+2FeO → SiO2+2Fe2Al+3FeO → 3Fe+Al2O3Ti+2FeO → 2Fe+TiO2溶解在钢液中的氧、硫、氮等杂质元素在降温和凝固时,或固溶体中析出,最后留在钢锭中。
内生夹杂物分布比较均匀,颗粒也较小,正确的操作和合理的工艺措施可以减少其数量和改变其成分、大小和分布情况,不过一般是不可避免的。
2外来夹杂物钢在冶炼和浇注过程中悬浮在钢液表面的炉渣、或由炼钢炉、出钢槽和钢包等内壁剥落的耐火材料或其他夹杂物在钢液凝固前未及时清除而留于钢中。
它是金属在熔炼过程中与外界物质接触发生作用产生的夹杂物。
这类夹杂物一般特性是外形不规则,尺寸比较大,也无规律,又称为粗夹杂。
这类夹杂物通过正确的操作是可以避免的。
按化学成分分类按变形能力分类按形态与分布分类A类(硫化物类):具有高的延展性,有较宽范围形态比的单个灰色夹杂物,一般端部呈圆角。
B类(氧化铝类):大多数没有变形,带角,形态比小(一般<3),黑色或带蓝色的颗粒,沿轧制方向排成一行,至少有3个颗粒。
C类(硅酸盐类):具有高的延展性,有较宽范围形态比(一般≥3)的单个黑色或深灰色夹杂物,一般端部呈锐角。
D类(球状氧化物类):不变形,带角或圆形的,形态比小(一般<3),黑色或带蓝色的,无规则分布的颗粒。
Ds类(单颗粒球状类):圆形或近似圆形,直径≥13μm的胆颗粒夹杂物。
非金属夹杂物对钢性能的影响对使用性能的影响1、疲劳性能↓2、冲击韧性↓塑性↓3、耐腐蚀性↓对于尺寸小于10μm的夹杂物促进组织形核,焊接时组织晶粒长大。
(1)由于加入Nb、V、Ti等合金元素,在连铸、加热过程中都会析出,形核C、N化合物(一种微型夹杂物)(2)钙化处理的硫化物、硅酸盐类以及细小的氧化亚铁可以细化晶核。
6.7脱氧和非金属夹杂物(2)

6.7.1.4按夹杂物尺寸分类
按夹杂物的大小不同,一般把夹杂物大致分为三类: 亚显微夹杂(颗粒>1μm)、显微夹杂(1— 100μm)和大型夹杂(>100μm)。
6.7.2 夹杂物对钢的性能的影响 6.7.2.1夹杂物和裂纹的形成及应
力集中
1.夹杂物与裂纹的形成 夹杂物往往被作为显微裂纹的发源地。 2.夹杂物与应力集中 如果材料中有非金属夹杂物 则出现应力集中现象 。
2.加稀土控制硫化物形态 稀土元素RE能降低钢液中氧和硫的溶解度,并以 生成球状小颗粒夹杂方式改善第Ⅱ类MnS夹杂。
6.7.5.2氧化物形态控制
1.铝酸钙的类型及物性 铝镇静钢用钙处理的主要目的是将A12O3夹杂变性为 铝酸钙。其中的关键是控制铝酸钙的生成类型。铝酸 钙随CaO含量的增加,其熔点趋于下降,当 CaO含量 达到48%时熔点最低。从在钢液中易于凝聚排除,而 残留于钢中呈球状考虑,以生成12CaO·7 A12O3为好。 2.加钙处理 使用喂丝和钢包喷粉工艺。
6.7脱氧和非金属夹杂物
钢中存在的非金属化合物,如氧化物、硫化 物、氮化物等都呈独立相存在,统称为非金 属夹杂物。它们的存在破坏了钢的基体的连 续性。 钢中非金属夹杂物来源于原材料、脱氧产物、 熔渣和耐火材料,以及出钢和浇注过程的二 次氧化产物。
6.7.1钢中非金属夹杂物的种类及 其形态
6.7.1.1按夹杂物的化学成分分类
6.7.2.2夹杂物对钢的塑性和韧性 的影响
1.夹杂物与塑性 夹杂物对塑性的影响在断面收缩率上比在延伸率上表现得 更显著。通常夹杂物对钢材的纵向塑性影响不大,而对横 向塑性的影响却较显著。 2.夹杂物与韧性 如果材料中有非金属夹杂物,则钢的韧性下降。
6.7.2.3夹杂物对钢的疲劳性能的 影响
复杂形状夹杂物对动车组车轮辋裂的影响

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J].Con
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e,
2011,
19(
8):
771
G
781.
(编辑 袁兴玲)
作者简介:王 堃,男,
1983 年 生. 上 海 交 通 大 学 机 械 与 动 力 工
程学院博士研究生.主要研究方向为压电驱动 微 喷 系 统 的 设 计、
态和对轮辋裂纹 形 核 的 影 响 规 律,比 较 了 车 轮 在
直道、弯道和道岔 等 运 载 工 况 下 轮 辋 夹 杂 物 周 围
应力水平的高低,对 不 同 工 况 下 车 轮 轮 辋 萌 生 疲
劳裂纹的夹杂物临界尺寸进行了计算.研究了夹
杂物形态因素影 响,确 定 了 车 轮 运 行 载 荷 下 可 以
[
3]
几何特征和缺陷 位 置 对 缺 陷 萌 生 裂 纹 的 影 响,研
究表明,接触面几何特征对疲劳性能的影响很小,
载荷级别和缺陷位置需共同考虑,载荷级别越大,
影响,基于有关资料 [8]并作如下假设:① 在车轮轮
轨接触面正上方 处 存 在 夹 杂 物;② 因 夹 杂 物 的 存
在,材料特性与周围单元不一致,故通过改变材料
会影响车轮 轮 辋 疲 劳 裂 纹 的 产 生 [1]. 因 此,分 析
车轮轮辋内部夹杂物的尺寸对轮辋的疲劳性能和
失效行为的影响,对列车的可靠运行有指导意义.
浅谈钢中夹杂物的控制对钢质量的影响

(ao In S eGop Cr ri . Bo u ad l r ) p ao ) t r n t ( u o o tn o e
A SR C T e 一 e l i li s tu r 马, olb c t ld doi tn BT A T h nn m tl n uo prcl A o ai c sn a i a 眨 s u e rl b e d i c h d o o e y x ao n ad t a et oi tn ho g wt u A ad e wr hai a ee i t i n C r t n t x ao t nl y h t n c d e d g fcv o a m e h d i e o i o l o e c r i e n r f t e m- e pr t qat o r l l ue uly a s e h e i f t . i e
金属脱落的“ 掉块” 导致钢的断裂。根据国内客车运 行和制动条件, 应用断裂力学理论计算表明, 当
高。 钢中夹杂物主要以非金属化合物形态存在, 如 氧化物、 硫化物、 氮化物等, 且都是以独立相存在, 它 们的存在破坏了钢基体的连续性, 造成钢的组织不
均匀, 而且它们的几何形状、 化学成分、 物理因素等 不仅使钢的冷热加工性能和某些理化指标恶化, 而
取得了一定的效果。
另外, 在钢液凝固过程中, 低熔点的 FSFO e,e 等由于钢液“ 选分结晶”最后在晶粒边界及树枝晶 ,
间析出i 3 ] 32 外来夹杂 .
这类夹杂主要是由原料带人泥沙、 熔渣及保护 渣等卷人或浇注系统的耐火材料受钢水冲刷、 浸蚀 等进人钢液中并滞留于钢中造成的, 多为大颗粒夹
题。
脱氧工艺二: 包钢引进先进的连铸设备后,98 19 年开始采用 连 铸坯生产重轨, 先进的炉外精炼装备给钢水的净
钢中非金属夹杂对质量的影响及控制措施

内生夹杂和外来夹杂有明显的差别
1)内生夹杂的典型特征是尺寸小,数目多,较均匀地分布在铸 坯的各个部位,夹杂物的成分与钢液成分有很强的依赖关系。 2)外来夹杂往往尺寸较大,形状不规则,具有偶发性,成分和 结构复杂,它与钢液成分没有直接关系,分布位置不定。 3)实际炼钢过程中的夹杂物很少为单纯的内生夹杂或外来夹杂 ,它们经常是共生的,其原因是: ⑴在炼钢过程中各阶段,内生夹杂以外来夹杂为核心析出,并 发生交互反应是一种普遍现象; ⑵脱氧的钢液与卷入的炉渣 (包括保护渣)或耐火材料接触时, 总会或多或少地起反应,因此仍保持原来的内生或外来夹杂 物的成分和结构是不多见的;
VN颗粒
VN颗粒
钙化处理硫化物
当非金属夹杂物尺寸大于50um时,降低了钢的塑性、韧性 和疲劳寿命,使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏。 一般 我们钢水中夹杂物尺寸都为大于50um。 大型夹杂物不利用钢板 韧性、塑性以及强度指标。除了这些性能外,还有降低抗酸性能、 疲劳性能、表面光洁度 以及焊接性能。
钢中非金属夹杂对质量的影响 及控制措施
工艺技术部
前言
研究重要意义
非金属夹杂物危害:
质量缺陷:
铸坯:表面裂纹,内部裂纹,偏析等; 钢材:裂纹,“翘皮”,线形缺陷等。
钢材性能:
冲压开裂、冷拉断裂等; 延性,低温韧性,抗疲劳破坏,非轧制方向性能,切 削,焊接,耐蚀,电磁性能等。
2
夹杂物控制技术发展趋势
氧化铝夹杂
冲击为3J P460NL1
夹杂+FeO夹杂
延伸 9
12Cr2Mo1VR
多处铝酸盐夹杂
16MnDR 探伤不合国标 I级
多处铝酸盐夹杂
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技 术 中心 中南大 学 李
摘
会 许 晓嫦
要
赵 凤 晓
本文用 MT S 8 5 8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 Q u a n t a 6 0 0 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 所得裂纹源处夹杂物尺寸大部 分超过 了临界尺寸 。
图如 图 3所示 。
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 中每个夹杂物 的面积加起来 , 其尺寸约等效于直径为 1 5 u m 的大夹杂 物。
2 . 3 断口上夹杂 物统计 实验 测量 了疲 劳 断 口上一 些重要 的特征
L 、 G试样 疲 劳开 裂 的裂 纹源 明显 不 同 , 对 于 L试样 , 作 为 裂纹 源 的夹 杂 物 一般 存 在
单 联工艺 相 比, 优化 后 的 R H +L F双 联 工 艺
制方向分别各取样 4个。拉伸试样制作依照 G B / , I 2 2 8 —— _ 2 o 0 2 《 金 属 材 料 室 温 拉 伸 试 验
方法 》 进行 , 其 中试 样 标 距 5 0 mm, 标 距 段 宽 度为 1 5 mm; 轴 向 加 载 疲 劳 试 样 制 作 依 照
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 8 0 0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
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
1 所示 。
表1 试验材料的化学成 分( 质量分数/ %)
兰 壅坌 ! 曼 鱼兰 : : ! : : 里 : 竺 : 旦 竺 : 旦 ! : 丝 每 种规格 试样按 平行轧 制方 向和垂 直轧
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 。 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 ( R H +L F双 联和 L F 单联 ) 过 程的高强度车轮钢 , 与L F
夹杂 物 团簇 , 夹 杂物大 部分呈 椭球形 , 尺寸差 别较 大 , 多数夹 杂物有 破碎 、 开 裂 的现象 。裂 纹源 沿 断 口周边 分 布 , 具 有 多源 特 征 。裂纹
…
黼
麓 暴 麓
源处夹杂物的能谱分析表 明, 这些夹杂物主 要含有 A l 、 C a 、 0等元素, 个别含少量的 . M g 、 S i 、 S等元 素 。 对断 口 表面夹杂物尺寸统计分析发现, 对 于 L试 样 , 断 口表 面 较 洁 净 , 不 存 在 夹 杂
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 面和亚表 面处未 发现作
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 I S I 夹杂 物 特 征 参 数
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
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8 0 % 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
疲劳实验在 M T S 8 5 8电液伺服疲劳试验
1 3
表 面基 体 缺 陷 处 。对 L 、 G试 样 裂 纹 源 位 置 统计 发现 , L试 样 裂 纹 大部 分 起 源 于 内部夹 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 S E M 照 片 及 能谱
寸非金 属夹 杂物 。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Biblioteka 要提高车 轮钢的强度和延长 疲劳
产线所生产的高强度车轮用钢, 两种不 同冶 炼工艺试样分别编号为 L 、 G 。L 、 G生产工艺 分别为 : 铁水 K R深脱硫 一B O F R H+ L F '
G B / T 3 0 7 5— 1 9 8 2 { 金属轴 向疲劳试验方法》 进行 , 其 中试样 总长度为 2 0 6 m m, 受力部分 为半径 1 2 0 m m圆弧连 接。所有试样厚 度均
为4 m m。如 图 1所示 。
能有效的去除钢中夹杂物, 减小夹杂物尺寸。 并 在实 验数据 的基 础上 分析 了钢 中夹杂物 尺 寸对疲劳寿命 的影响。
( 优化后 ) 一C C 一热轧; 铁水 一 K R深脱 硫 一 B O F - ÷ L F C C 一热 轧; 热轧 F D T 温 度 均 为
8 9 0 ℃, C T温度为 5 8 0 o C, 冷却方式为前段集 中冷却。试样取 自 热轧成品板厚度为 4 m m。 试验用高强度车轮用钢的化学成分如表