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高強度鋼的疲勞性能不僅與夾雜物的尺寸有關(guān)，還與夾雜物的類型有關(guān)，疲勞失效很可能來源于非金屬夾雜物。目前，冶金技術(shù)可以將氧、氮、硫等有害元素控制在10ppm以下，將夾雜物尺寸控制在1μm以下，這是一個費時費力、生產(chǎn)成本高的過程。提高鋼的純凈度，可以通過降低鋼中夾雜物的尺寸，有效地改善鋼的疲勞性能。因此，夾雜物尺寸對疲勞性能的定量影響被廣泛研究。而以往的研究側(cè)重于包裹體的大小，缺乏對包裹體類型的定量研究。不同類型夾雜物對疲勞性能的影響存在顯著差異，不容忽視。然而，以往對包裹體類型的研究還不夠深入，主要是定性研究，如考慮基體與不同包裹體類型模量的差異等。因此，定量研究不同類型夾雜物對高強鋼疲勞性能的影響，是指導(dǎo)冶金工作者合理經(jīng)濟(jì)地控制不同夾雜物尺寸的必要手段。

中科院金屬研究所張哲峰團(tuán)隊探討了不同類型夾雜物對高強鋼高周疲勞斷裂行為的影響，明確了不同夾雜物引起疲勞開裂的模式。相關(guān)論文以題為“Effects of inclusion types on the high-cycle fatigue properties of high-strength steel”發(fā)表在Scripta Materialia。

本文采用電渣重熔制備Fe-0.99C-1.53Cr-0.36Mn-0.31Si-0.02Mo-0.008P-0.003S合金。拉伸和疲勞試樣加工后進(jìn)行850℃×30min(油淬)和回火處理160℃×2h。

研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)試樣，疲勞裂紋主要來源于夾雜物，疲勞失效源的夾雜物主要是氮化物(TiN)和氧化物(Al2O3)，應(yīng)力比R=0.1時的疲勞極限為547MPa。統(tǒng)計結(jié)果顯示，80%的裂紋由TiN引起，17.5%裂紋由Al2O3引起。TiN引起裂紋的夾雜物尺寸為9-14μm，遠(yuǎn)小于Al2O3的15-19μm，說明即使TiN的夾雜物尺寸小于Al2O3，仍能引發(fā)軸承鋼的疲勞裂紋，這與一般高強鋼疲勞裂紋主要來源于最大夾雜物尺寸的報道不一致，隨著夾雜物尺寸的減小，Al2O3引起疲勞破壞的次數(shù)顯著增加，而TiN在不同循環(huán)應(yīng)力幅值下的疲勞壽命數(shù)據(jù)具有較大的彌散性。

圖1 軸承鋼的S-N曲線、疲勞裂紋來源百分比以及疲勞強度結(jié)果

圖2 疲勞失效源處夾雜物的SEM圖和疲勞裂紋模式示意圖

圖3 夾雜物的類型、大小、分布

圖4 (a) 應(yīng)力強度因子與疲勞壽命的關(guān)系；(b) 不同夾雜物的形狀示意圖；(c) 疲勞壽命與考慮夾雜物類型的修正強度因子之間的關(guān)系；(d)疲勞壽命的實驗值和預(yù)測值

綜上所述，通過開展高周疲勞試驗，定性和定量地探討了夾雜物類型對軸承鋼疲勞壽命的影響。由于夾雜物的彈性模量不同，不同形狀夾雜物表現(xiàn)出不同的疲勞開裂模式。對于球形氧化物夾雜，軸承鋼疲勞裂紋出現(xiàn)在基體與Al2O3的界面上，證明該界面是疲勞性能的短板。對于立方氮化物夾雜物，疲勞裂紋從TiN內(nèi)部開始，表明TiN是薄弱環(huán)節(jié)而不是TiN與基體之間的界面。由于夾雜物形狀的不同，不同類型夾雜物的疲勞開裂模式也不同，因此其疲勞性能也存在較大差異。為了更好地描述夾雜物類型對軸承鋼疲勞性能的影響，首次建立了夾雜物類型因子，簡單地統(tǒng)一了夾雜物的大小和類型對應(yīng)力強度因子和疲勞壽命的影響。本文結(jié)果區(qū)分了夾雜物類型對高強鋼疲勞性能的影響，以及夾雜物類型對高強鋼冶金中微量元素控制的作用。