高洁净轴承钢夹杂物评价与滚动接触疲劳寿命

为了探讨低氧高洁净轴承钢的夹杂物评判标准,对相同工艺下生产的T.[O]≤5μg/g的高洁净轴承钢,使用夹杂物评级和统计极值法进行了评价。并对试验钢的滚动接触疲劳(RCF)寿命进行了测定。结果表明,两组试验钢的滚动接触疲劳寿命存在明显差异,使用统计极值法可以对高洁净轴承钢进行有效区分,两组试验钢在30 000 mm~2参考区域内最大夹杂物尺寸预测值分别为41和27μm;当最大接触应力为4.5 GPa时,两组试验钢所对应的RCF寿命(L_(10))分别为6.58×10~6和7.41×10~6r。当氧含量很低时,硫含量较高所导致的硫化物增多将使夹杂物的预测尺寸偏大。     

超洁净轴承钢中夹杂物与滚动接触疲劳寿命的关系

以3种不同工艺工业生产的总O含量均≤6×10~(-6)的超洁净GCr15轴承钢为研究对象,通过推力片实验测试这3种钢的滚动接触疲劳寿命并获得额定寿命(L_(10))和中值寿命(L_(50)),通过ASPEX扫描电镜获得各工艺下的夹杂物样本数据并进行统计分析,使用极值法(SEV)和广义Pareto分布法(GPD)估算出样品中最大夹杂物特征尺(CSMI),然后将其与实测L_(10)和L_(50)进行对比和分析。结果表明,SEV法仅检测每个样品的最大夹杂物,无法通过其获得的CSMI来合理解释3种钢L_(10)和L_(50)的变化,2者之间相关性较差;而GPD法分析夹杂物时,需要对阈值尺寸以上的所有夹杂物进行表征和统计分析,可以获得夹杂物的数量密度以及不同类型夹杂物的CSMI,GPD法所预测出的最危险类型TiN夹杂物的CSMI可以合理解释L_(10)的变化,2者之间有较好相关性,但无法据此解释L_(50)的变化;但将总的夹杂物数量密度与TiN夹杂物最大特征尺寸相结合,能合理解释3种钢的L_(50)差异,这是因为当更多样品失效时,裂纹萌生位置将不再仅仅局限于最危险类型夹杂物。因此,最危险类型夹杂物的CSMI与超纯净轴承钢中的早期疲劳失效的L_(10)相关性最强,而夹杂物的数量密度对高概率的中值疲劳寿命L_(50)也有重要影响。     

高合金表面硬化轴承钢的滚动接触疲劳行为研究

目的 探究高合金表面硬化轴承钢的滚动接触疲劳失效机理,以提高钢的疲劳寿命.方法 在球棒滚动接触疲劳试验机上进行滚动接触疲劳试验,测试试验钢的疲劳寿命,其中,滚动体为GCr15钢,钢棒为高合金表面硬化轴承钢.采用显微硬度仪、光学显微镜、扫描电子显微镜和Thermo-Calc热力学计算软件等,分析了失效钢棒的渗碳层深度、碳化物类型、碳化物分布,研究钢棒表面磨损行为和滚动接触疲劳的失效类型、裂纹起裂原因、裂纹扩展机理.结果 试验钢棒经表面渗碳处理后,渗碳层深度达到1.6 mm,表面硬度最高为827HV.渗碳层碳化物为M23C6、M7C3、M6C,其中,M23C6主要分布在渗碳层晶界上,M7C3和M6C主要分布在晶体内部.试验钢棒在5 GPa接触应力下循环1.02×109周次后,其滚道深度为9.3μm,压入量为0.093％.球棒润滑状态为部分膜弹流润滑,随着疲劳周次的增加,表面磨损加剧,磨损类型为疲劳磨损.循环2.76×108周次后,钢棒发生剥落失效,失效类型为渗碳层碳化物引起的表面起裂失效和次表面剪切应力引起的次表面起裂失效.在剥落坑下部,发现白蚀区(white etching area,WEA),WEA的硬度为684HV,比基体的硬度升高了25.4％.在WEA内,与滚动方向呈一定角度的小裂纹汇聚形成主裂纹,主裂纹穿过渗碳层,终止于距表面1.5 mm处.在距表面560μm处,发现宽度为610μm的黑蚀区(dark etching regions,DER),DER的硬度为612HV,比基体的硬度降低了10.5％.结论 控制渗碳层的碳化物尺寸和形状,可以进一步提高高合金表面硬化轴承钢滚动接触疲劳寿命.     

喷丸对25CrNi2MoV钢滚动接触疲劳性能的影响

目的提高25CrNi2MoV钢的滚动接触疲劳性能。方法对25CrNi2MoV钢进行表面喷丸处理,并采用3D形貌仪、光学显微镜、显微硬度仪、X射线应力分析仪与滚动接触疲劳试验机等仪器,对试样表面形貌、表面显微组织、显微硬度、表面残余压应力与滚动接触疲劳性能等进行测试分析。结果与未处理试样相比,经喷丸处理后,试样表面形貌由磨削加工槽型向酒窝状的弹坑转变,表面粗糙度增大,表面显微硬度由503HV0.2增大到577HV0.2,增加了14.7%,表面残余压应力由-90.0 MPa增大到-758.0 MPa。当喷丸强度为0.445 mmA时,试样具有最好的滚动接触疲劳寿命,其额定寿命(L10)、中值寿命(L50)、特征寿命(L63.2)分别为4.973×10^6次、6.578×10^6次和6.945×10^6次,分别是未处理试样对应寿命的11.1倍、7.3倍和7.0倍,试样滚动接触疲劳失效形式主要为疲劳剥落。当喷丸强度为0.596 mmA时,试样表面出现微裂纹,导致滚动接触疲劳寿命降低,此时试样疲劳失效形式主要为点蚀与疲劳剥落。未处理试样疲劳失效形式主要为分层。结论喷丸处理能细化试样表层晶粒组织,增大试样表面粗糙度、表面硬度与表面残余压应力。合适强度的喷丸处理可以抑制试样表面与次表面裂纹的萌生与扩展,显著提高滚动接触疲劳性能。     

熔炼过程产生的夹杂物对高强钢疲劳失效的影响

采用20 kHz超声波疲劳振动试验机对高强度大螺栓钢进行疲劳测试,观察其试样的疲劳断口形貌,分析其疲劳失效机理。结果表明,经过纯净化处理后的高强钢在109周次下的疲劳强度达到700 MPa,比未经纯净化的大螺栓钢提高了100 MPa。通过扫描电镜对疲劳试样断口进行观察,发现大螺栓钢的疲劳起裂分3类:表面起裂、内部夹杂物起裂和内部缺陷起裂,而经过纯净化处理之后的高强钢,起裂形式为表面起裂和内部非夹杂起裂。为提高高强钢的抗疲劳性能应从控制夹杂物和改善内部组织两方面着手。     

中碳高强度弹簧钢NHS1超高周疲劳破坏行为

测试了中碳高强度弹簧钢NHS1的超高周(109 cyc)疲劳破坏行为,并利用FESEM对疲劳断口进行了观察.NHS1钢的S-N曲线呈台阶型,在109 cyc内疲劳极限消失.疲劳断口分析表明,在高应力幅区,实验钢的疲劳破坏主要起源于基体表面;而在低应力幅长寿命区,疲劳破坏主要起裂于试样内部的夹杂物,形成"鱼眼"型断裂.在夹杂物周围存在一个粗糙的粒状亮区(GBF).GBF区边界的应力场强度因子为3.6 MPa·m1/2,与疲劳寿命无关,该值与疲劳裂纹扩展的门槛值相等;"鱼眼"边界的应力场强度因子同样与疲劳寿命无关,约为10.6 MPa·m1/2.     

夹杂物对2Cr13钢疲劳性能的影响

研究了2Cr13钢的硬度、屈服强度和疲劳寿命;用SEM(扫描电镜)测量了2Cr13中夹杂物的化学成分.实验发现,材料的疲劳寿命因合金中的夹杂物而显著降低,约为不含夹杂物合金疲劳寿命的一半.     

夹杂物对工程机械用钢Q345FCA疲劳寿命的影响

采用QBWP-6000J型简支梁旋转弯曲疲劳试验机测定了高疲劳寿命工程机械用钢Q345FCA的疲劳寿命;采用扫描电镜(SEM)对疲劳断口形貌进行了观察,并用附带的能谱仪(EDS)寻找断口上的夹杂物;借助夹杂物自动分析系统对钢中的夹杂物进行了分析。通过对试验数据的分析,计算得出了Q345FCA钢和Q345钢夹杂物的表面临界尺寸、次表面临界尺寸和内部临界尺寸。结果表明,Q345FCA钢的疲劳极限为273 MPa,Q345钢的疲劳极限为266 MPa。Q345FCA钢和Q345钢中夹杂物尺寸均小于临界夹杂物尺寸,且断口形貌显示所有疲劳断裂均不是由夹杂物所引起,夹杂物不是疲劳源。     

高纯HGCr15轴承钢的组织和性能的研究

采用双真空(VIM+VAR)冶炼工艺可以得到高纯、高性能的HGCr15轴承钢,其中氧含量为5×10~(-6)～7×10~(-6);而电渣ZGCr5轴承钢,其中氧含量为3.4×10~(-5)。电渣钢的氧化物夹杂含量是双真空HGCr15轴承钢的4.2倍,其中Al_2O_3含量高达后者的31.7倍。双真空HGCr15轴承钢经真空热处理后可以得到比较细小均匀的碳化物,并且轴承零件表面可以获得压应力。双真空HGCr15的接触疲劳寿命L_(10)是电渣钢的1.49倍,断裂韧性K_(1C)提高19％,冲击值α_K和耐磨性能略有提高。     

渗碳齿轮钢18CrNiMo7-6的疲劳性能及其影响因素

以18CrNiMo7-6齿轮钢为研究用基础钢,在传统真空脱气冶炼方式基础上,采用Nb微合金化和电渣重熔冶炼相结合获得一种对比试验钢,通过旋转弯曲疲劳试验表征了两种试验钢的疲劳性能,并利用显微组织、硬度分布、疲劳断口表征以及夹杂物分析等手段,探究了两种试验齿轮钢疲劳性能的影响因素。结果表明,采用电渣重熔方法冶炼并Nb微合金化的试验钢的疲劳极限较基础钢提高90 MPa,且相同载荷下寿命显著提高,渗碳层晶粒度由基础钢的7.5级细化至9级,而残留奥氏体含量的增加导致其表面硬度降低。通过Aspex夹杂物表征发现试验钢中夹杂物数量较基础钢大幅度降低,且硬质氧化物夹杂较少,与断口表征结果相一致。综合分析可知,晶粒细化和非金属夹杂物水平下降是提升试验钢疲劳性能的主要因素。     

16Cr3NiWMoVNbE齿轮钢的疲劳性能与裂纹萌生

采用真空感应熔炼+真空自耗重熔(VIM+VAR)工艺制备16Cr3NiWMoVNbE齿轮钢。测定了试验钢的疲劳极限和S-N曲线。通过观察断口,分析疲劳萌生类型和影响因素。结果表明:疲劳极限强度达到773 MPa,疲劳裂纹萌生于表面驻留滑移带、表面缺陷、近表面夹杂物和次表面夹杂物。表面驻留滑移带萌生疲劳裂纹占13%,表面缺陷萌生裂纹占33.3%,近表面夹杂物萌生占40%,次表面夹杂物萌生占13%。当疲劳裂纹萌生于内部夹杂物时,疲劳寿命随应力的增大而减小;在一定实际应力作用下,疲劳寿命随夹杂物尺寸的增大而减小。随着实际应力增加,疲劳裂纹萌生的夹杂物临界尺寸减小。     

高钴钼低碳不锈轴承钢的拉压疲劳裂纹萌生与扩展

采用QBG-50型高周疲劳试验机对高钴钼不锈轴承钢进行轴向拉压疲劳试验,研究了其在室温和500℃下的疲劳裂纹萌生扩展行为。结果表明：室温条件下试验钢的拉压疲劳极限强度为785 MPa, 500℃条件下试验钢的拉压疲劳极限强度为550 MPa,较室温降低了30.0%。通过扫描电镜对疲劳断口观察发现,室温下试验钢的疲劳裂纹起裂类型为单源起裂,起裂源为驻留滑移带、表面加工缺陷和夹杂物,高温下试验钢的起裂类型为单源起裂和多源起裂,起裂源为驻留滑移带、夹杂物和表面加工缺陷。室温下疲劳裂纹萌生于内部驻留滑移带,而500℃下疲劳裂纹多形成在表面或接近表面的滑移带。拉压裂纹萌生寿命占总寿命的97.88%以上。     

稀土元素La对300M钢疲劳性能的影响

采用力学性能测试、疲劳断口形貌及裂纹源非金属夹杂物扫描电镜分析等方法,研究了稀土元素La对300M钢常规力学及高周疲劳性能的影响,以及稀土La对300M钢非金属夹杂物形态及尺寸的改性作用。结果表明:添加0.006%(质量分数)的稀土La对300M钢的常规力学性能影响较小,却显著提高300M钢的高周疲劳性能;300M钢加入稀土La后,其疲劳极限σ_-1由867 MPa提高至940 MPa;添加稀土La改性后的钢中夹杂物尺寸变大,并转变为含S、O的稀土夹杂物,其硬度、弹性模量、膨胀系数与钢基体更接近,有效减小了夹杂处的应力集中,有利于提高钢的高周疲劳性能。     

Q420B角钢裂纹缺陷分析

通过对角钢裂纹处氧氮含量的分析,明确了角钢开裂的原因。结果表明,钢中T[O]为45×10~(-6),[N]为129×10~(-6),氧氮含量明显偏高,反映出钢中夹杂物含量偏高。裂纹处高熔点的Al_2O_3和Mn S夹杂物才是角钢开裂的根本原因,并对此提出了相关的优化措施。     

7475-T7351铝合金厚板的疲劳性能

通过金相显微镜(OM)、取向分布函数(ODF)及扫描电镜(SEM)研究25 mm厚7475-T7351铝合金板材的疲劳性能和裂纹扩展速率。结果表明:板材的疲劳强度存在各向异性,横向疲劳强度为300 MPa,纵向疲劳强度为310 MPa,疲劳寿命均大于1×107 cycle。板材在Kt=1、应力比R=0.1和应力强度幅度?K=30 MPa·m1/2条件下,纵向疲劳裂纹扩展速率da/d N为2.73×10-3~4.41×10-3 mm/cycle,横向疲劳裂纹扩展速率da/d N为5.76×10-3~8.22×10-3 mm/cycle。疲劳裂纹主要在次表面的含O、Na、Cl非金属夹杂物处及粗大第二相处萌生,在疲劳裂纹扩展区可观察到大量疲劳条带,在瞬时断裂区,断口呈小韧窝和解理断裂的混合形貌。     

0.30C-Cr-W渗氮轴承钢的高周疲劳性能研究

以新型高性能渗氮轴承钢0.30C-Cr-W为对象,研究了经真空离子渗后的氮层微观组织及高周旋转弯曲疲劳性能。结果表明:实验钢渗氮后渗层中化合物层为γ'-Fe_4N和VN相,VN的平均等效直径为80 nm,弥散分布在γ'-Fe_4N中;扩散层晶界析出大量VN,晶内有大量细小弥散的M_3C;渗氮后在107循环周次下的中值疲劳强度为850MPa。起裂方式为夹杂起裂和表面缺陷起裂,在这两种起裂方式下,渗层可有效的提高疲劳寿命。     

Q235钢中显微夹杂物行为研究

系统分析了我国北方某钢厂采用120 t BOF→Ar Blowing→CC工艺生产的Q235钢中氧氮含量、钢中显微夹杂物类型、尺寸、数量及分布的变化历程。结果表明,铸坯中w(T[O])平均为78.6×10~(-6),w([N])平均为52.1×10~(-6),显微夹杂物数量为11.2个/mm~2;显微夹杂物以SiO_2-Al_2O_3-MnO-TiO_2-MnS复合夹杂为主,粒度在2.5~15μm之间,其中0~5μm的夹杂约占25.01%,5~10μm的夹杂约占43.69%,10~15μm的夹杂约占9.47%;显微夹杂物在距内外弧1/3~1/4处含量最高,边部及中心部位夹杂物较少;铸坯中含钢包渣污染物的夹杂占41.2%,含中间包渣污染物的占23.3%。钢包渣、中间包渣对夹杂物的吸附能力明显不足,出钢过程中应加钙铝酸盐基渣洗料对钢包顶渣进行改质,从而降低钢中夹杂物数量。     

连铸和模铸轴承钢性能的比较

检验了连铸和模铸轴承钢棒材的低倍组织,非金属夹杂物级别,碳化物形状和分布及疲劳寿命。结果表明,模铸材的氧化物夹杂的含量、平均尺寸和最大尺寸均小于连铸材,模铸材的碳化物均匀性和接触疲劳寿命也优于连铸材,但其生产成本高于连铸材。     

汽车用高强度弹簧钢54SiCrV6和54SiCr6 的超高周疲劳行为

研究了54SiCrV6和54SiCr6两种洁净高强弹簧钢的超高周疲劳行为,并利用FESEM和EPMA对疲劳断口进行了观察．实验结果表明,在高应力幅区,两种弹簧钢的疲劳破坏均起源于表面基体;而在低应力幅长寿命区,疲劳开裂均发生在试样内部．54SiCrV6钢的S-N曲线为典型的台阶式曲线,在10^9循环周次内,其疲劳极限消失;而54SiCr6钢存在疲劳极限．疲劳断口分析表明,54SiCrV6钢内部破坏是由钢中小夹杂物聚集引起的,而在54SiCr6钢中则起源于碳化物的偏聚．临界夹杂物尺寸的估算表明,当高强弹簧钢中的夹杂物尺寸大于临界夹杂物尺寸时,其疲劳极限消失．     

高纯HGCr15轴承钢的组织和性能的研究

采用真空感应和真空自耗双真空(VIM+VAR)冶炼工艺生产的HGCr15轴承钢,其中氧含量仅为(5～7)×10-6.电渣钢ZGCr15的氧化物夹杂含量是双真空HGCr15轴承钢的4.2倍.经真空热处理后轴承零件(HGCr15)表面可以获得压应力.双真空HGCr15的接触疲劳寿命L10是电渣钢的1.49倍,断裂韧度KIC提高19%.