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金屬所《Scripta Mater》：夾雜物類型對高強鋼高周疲勞性能影響！

2022-03-24 14:23:42 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

高強度鋼的疲勞性能不僅與夾雜物的尺寸有關，還與夾雜物的類型有關，疲勞失效很可能來源于非金屬夾雜物。目前，冶金技術可以將氧、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，是指導冶金工作者合理經濟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。相關論文以題為“Effects of inclusion types on the high-cycle fatigue properties of high-strength steel”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114232

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行850℃×30min（油淬）和回火處理160℃×2h。

研究發現大多數試樣，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），應力比R=0.1時的疲勞極限為547MPa。統計結果顯示，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，遠小于Al2O3的15-19μm，說明即使TiN的夾雜物尺寸小于Al2O3，仍能引發軸承鋼的疲勞裂紋，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顯著增加，而TiN在不同循環應力幅值下的疲勞壽命數據具有較大的彌散性。

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）應力強度因子與疲勞壽命的關系；（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系；（d）疲勞壽命的實驗值和預測值

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內部開始，表明TiN是薄弱環節而不是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，簡單地統一了夾雜物的大小和類型對應力強度因子和疲勞壽命的影響。本文結果區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。

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