魯修宇 戴明杰 吳 杰 吳 超 蔣躍東 羅德信 王 貞

(1.武漢鋼鐵(集團)公司研究院 湖北 武漢：430080；2.武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室 湖北 武漢：430081)

0 引言

隨著國內彈簧鋼的產量和需求量的增長，材料的內在質量要求也越來越高。研究發(fā)現(xiàn)，組織中的非金屬夾雜對材料疲勞裂紋具有重要的影響。非金屬夾雜種類繁多，總體上可分為脆性、塑性和點狀不變形三類，夾雜對彈簧鋼疲勞性能的影響主要取決于兩方面：夾雜物的類型、數(shù)量、尺寸、形狀和分布；受鋼材基體組織及性能的制約。非金屬夾雜與基體材質不同，其結合力的強弱也對鋼材基體影響不同，其中結合力弱且尺寸大的脆性夾雜和球狀不變形夾雜的危害可能是災難性的。為了提高彈簧鋼的疲勞性能，采用二次精煉等減少非金屬夾雜的冶煉技術，可以較大程度的降低材料組織中夾雜物的尺寸及數(shù)量[1]。本文綜述了非金屬夾雜物的變形率、數(shù)量、尺寸、形狀對彈簧鋼疲勞性能的影響，總結了夾雜物尺寸與鋼材疲勞極限的量化關系。

1 夾雜物的變形率對疲勞性能的影響

夾雜物的塑性變形率對彈簧鋼的疲勞性能影響較大，材料中的疲勞裂紋示意圖如圖1。

彈簧鋼疲勞斷裂的斷裂源大多是在熱軋過程中難變形，即變形率低的A12O3夾雜系或TiN夾雜系。變形率較低的夾雜不能有效的傳遞鋼基中的外應力是誘發(fā)疲勞裂紋的原因之一，另外，夾雜物與鋼基的熱膨脹系數(shù)的差異會在夾雜周圍產生一種徑向的拉應力，這種應力會促進疲勞裂紋優(yōu)先在夾雜附近的基體中形成。鋼材中塑性較好的硫化物夾雜在一般承受載荷下不會形成裂紋，其主要原因是硫化物在材料加工的各階段都參與了變形，隨周圍基體的變化改變著自身形狀，沒有破壞硫化物夾雜與鋼基間的界面結合力。

圖1 疲勞裂紋示意圖

研究表明，降低材料組織中夾雜物的熔點可有效地增加其塑性變形能力，細化夾雜物，消除應力集中。因此，在爐外精煉過程中采用合適的脫氧方法和合成渣，對鋼液中的Al2O3、SiO2等系夾雜進行變性處理，形成低熔點的夾雜，可大幅度提高彈簧鋼的疲勞性能。Kawahara等人基于此開發(fā)了超純凈Cr-Si氣門彈簧鋼。在減少了因夾雜物引起的疲勞斷裂的同時，還延長了材料的疲勞壽命，使疲勞應力幅值提高了30MPa以上。

2 夾雜物的數(shù)量及尺寸對疲勞性能的影響

夾雜物的數(shù)量與尺寸對材料的疲勞性能具有顯著的影響，夾雜物數(shù)量越多、尺寸越大，對材料的疲勞性能影響越大。飯久保知人[2]等通過采用ULO(超低氧)與ULO+UL-TiN(超低氧+超低TiN)技術生產汽車懸掛用彈簧鋼SUP12，可以將鋼中氧含量降至0.0011%以下，而常規(guī)RH脫氧技術僅能達到0.0021%～0.0033%，因此可以使夾雜物數(shù)量及尺寸比RH脫氣法顯著降低。圖2為各種方法冶煉SUP12彈簧鋼的疲勞極限。如圖所示，ULO工藝的疲勞極限提高了約100MPa。對疲勞斷口疲勞源進行掃描電鏡觀察表明，ULO工藝生產的彈簧鋼中的Al2O3和TiN夾雜的尺寸明顯小于常規(guī)處理鋼；在ULO+UL-TiN鋼的疲勞源上出現(xiàn)夾雜的幾率減少，成為疲勞源的夾雜物也變小，而在VI+VAR鋼中的疲勞源處幾乎看不見夾雜物。

圖2 冶煉工藝對彈簧鋼的疲勞性能的影響

夾雜物的尺寸對材料疲勞極限的影響比其含量更為顯著，殷瑞鈺等人[3]指出：在夾雜物形狀保持不變的條件下，夾雜物對材料疲勞極限的影響如圖3所示。隨夾雜物尺寸的增大，材料疲勞極限呈線性降低，鋼的強度越高，夾雜物對材料疲勞極限的影響越顯著。

Duck Worth等人提出了影響材料疲勞性能的夾雜物“臨界尺寸”的概念：若夾雜物不在材料表面，且大于臨界尺寸，則材料強度降低的程度因子(Kf) 與其組織中的夾雜直徑(D)的立方根具有一定的比例關系[4]：

Kf∞D1/3

(1)

式中Kf是材料組織中存在直徑為D的夾雜時的疲勞極限與不存在夾雜時的疲勞極限的比值。

圖3 疲勞破壞點的夾雜物平均直徑與彎曲疲勞極限間的關系

研究表明[5]，當夾雜尺寸小于幾微米時，夾雜處萌生疲勞裂紋源的幾率較小，但當其尺寸大于10微米后，疲勞裂紋源則容易在夾雜物處萌生，而且隨著應力水平的增加，夾雜尺寸對疲勞壽命的影響更嚴重。Kawada[6]等人指出：僅當抗拉強度高于某臨界值時，夾雜對材料的疲勞極限才會產生顯著影響。夾雜的臨界尺寸取決于夾雜的成分與夾雜距材料表面的距離，材料表面處的夾雜比次表面處夾雜具有更大的危害。

3 夾雜物的形狀和分布對疲勞性能的影響

鋼材中夾雜物引起的應力集中程度與其形狀有密切關系。夾雜物的曲率半徑越小，其引起的應力集中程度越嚴重。在交變應力的作用下，裂紋會優(yōu)先在垂直于拉應力的方向上的夾雜物尖角處萌生，且裂紋擴展速率也比球狀夾雜物快很多，即不規(guī)則和多棱角的夾雜物比同尺寸的球形夾雜對材料的疲勞性能危害更大。超低氧冶煉的彈簧鋼比超低氧、超低TiN工藝冶煉的疲勞性能要差，主要是因為后者的塊狀多棱角TiN夾雜更少。

對于維氏硬度值(HV)不大于400的中低強度鋼，其光滑試樣旋轉彎曲或軸向疲勞極限(σ-1)與其抗拉強度σb或HV具有良好的線性關系[7]：

σ-1?1.6Hv±0.1Hv(Hv≤400)

(2)

對于強度更高的材料則不具備此類線性關系，材料的σw隨σb或HV的增加而更加分散，且高強度鋼的疲勞源往往位于次表面而不是最表層，形成“魚眼”斷裂模式。這種疲勞行為表明高強度鋼對微小缺陷和非金屬夾雜十分敏感。據(jù)統(tǒng)計表明[8-9]，汽車的氣門彈簧因材料非金屬夾雜引起的失效占約40%，而因表面缺陷引起的失效占約30%。

汽車用彈簧鋼的硬度范圍通常在HV415～530。隨著汽車用彈簧鋼高應力化的進一步發(fā)展，彈簧鋼將不可避免的應用于更高硬度水平，因此，彈簧鋼的表面狀態(tài)與非金屬夾雜對其疲勞性能的影響將變的更為突出。

4 夾雜物的尺寸評估

影響材料疲勞性能的主要因素是其組織中的大尺寸夾雜，科研工作者多年來也對如何確定一定體積鋼中的最大夾雜尺寸進行了研究。

利用目前的標準金相法評價的夾雜尺寸是明顯偏小的，而采用疲勞試驗，根據(jù)材料斷口斷裂源處的夾雜尺寸來確定最大夾雜是相對準確而寶貴的，但此種方法非常費時與費力。最近應用的統(tǒng)計極值理論已經能夠較為準確地確定材料中的最大夾雜尺寸，雖然仍然存在不少的問題，但也為今后潔凈高強鋼的夾雜統(tǒng)計分析指明了研究方向。

近年來主要新發(fā)展了兩種評估方法——統(tǒng)計極值法(statistics of value、SEV)與廣義帕雷托法(generalized Pareto distribution、GPD)[10]。統(tǒng)計極值法是通過觀察較多大小相同的視場，并測量每個視場中的最大夾雜面積，再開平方根得到此夾雜的尺寸，然后運用Gumbel分布函數(shù)對鋼中的最大夾雜尺寸進行評估。此方法沒有上限，其預測的最大夾雜尺寸會隨著被預測體積的增大而線性增加。廣義帕雷托法所采用的數(shù)據(jù)是各個視場中大于某臨界門檻值μ的尺寸，與SEV相比，其預測的最大夾雜尺寸有上限值，這比較符合現(xiàn)實。

中科院的張建鋒等人[11]利用此兩種統(tǒng)計方法對42CrMo鋼中的夾雜尺寸進行了評估，并根據(jù)評估的結果預測了材料的疲勞強度，結果表明，這兩種方法預測的夾雜尺寸及其疲勞強度與超聲疲勞試驗結果十分接近，在一定小體積范圍內SEV方法預測的結果與試驗更為接近，但對于體積較大的鋼中的最大夾雜物的預測尚不明確，還需試驗進一步驗證。這兩種方法預測的疲勞強度與試驗結果都較接近，可以利用這兩種方法進行鋼的疲勞強度的預測，但SEV方法相對略顯保守。

5 夾雜物與疲勞極限的量化關系

關于鋼的純潔度與材料疲勞極限間的關系研究開始較早，但并沒有取得滿意結果。1979年，Mitchell[12]提出了所謂的“疲勞缺口因子法”，用以研究細小的缺陷與夾雜對材料疲勞極限的影響。但隨后Murakami[13-14]等人通過實驗證明該方法并不準確，雖然所有試樣的應力強度因子相同，但材料的疲勞極限卻因其組織中的空洞尺寸的差異而變化。他們通過實驗指出：在研究分析材料疲勞極限和硬度之間的精確關系時，硬度不應該是平均硬度，而是材料疲勞源附近基體的硬度。直徑40μm的空洞卻會使硬度HV大于500的材料疲勞極限大幅度下降，而當材料顯微組織中的滑移帶成為疲勞源時，材料疲勞極限與HV間的經驗關系式(2)仍然適用。

對于沒有內部缺陷的理想材料，材料的疲勞極限σ-1約等于材料維氏硬度(Hv)的1.6倍或材料強度(σb)的0.5倍。關于材料疲勞極限與夾雜物間的關系，Murakami等人總結了以下公式[13]：

(3)

Kiessling和Nordberg等[15]提出了夾雜物的“臨界尺寸”的概念。在材料熱加工過程中，其組織中夾雜物的變形能力與基體材料的變形能力不同，因此會在界面上產生一定的微觀裂紋，這種微觀裂紋會成為疲勞斷裂的根源，而材料組織中超過某一“臨界尺寸”的夾雜極易造成疲勞斷裂?！芭R界尺寸”可以很好的理解夾雜物尺寸對材料疲勞極限的危害程度，但是迄今為止還無法通過精確的計算來確定某一強度的材料的具體夾雜物“臨界尺寸”值?？梢源_定的是，通過改進煉鋼工藝來降低材料組織中大顆粒夾雜的尺寸與數(shù)量，可以有效的改進彈簧鋼的疲勞特性。

此外，還有很多科研人員詳細的研究了材料維氏硬度與其表面小缺陷的形狀和尺寸對材料疲勞極限的影響，推導出了很多預測具有表面缺陷和裂紋的材料的疲勞極限的公式，部分預測精度是令人滿意的。

6 結束語

非金屬夾雜物的變形率、數(shù)量、尺寸、形狀及分布對彈簧鋼的疲勞性能影響因夾雜物本身和鋼材基體而異。夾雜物與鋼材疲勞極限的量化關系尚未達成統(tǒng)一認識，但是部分對特定鋼種的預測是較為精確的。隨著鋼材冶煉技術的改進，在煉鋼過程中采用先進技術使其中的非金屬夾雜的性質得以改變，同時控制較大尺寸的夾雜物數(shù)量可以有效的改善鋼材疲勞性能。

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