夾雜物對(duì)彈簧鋼疲勞性能的影響

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(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080；2.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北 武漢：430081)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)彈簧鋼的產(chǎn)量和需求量的增長(zhǎng)，材料的內(nèi)在質(zhì)量要求也越來(lái)越高。研究發(fā)現(xiàn)，組織中的非金屬夾雜對(duì)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(diǎn)狀不變形三類，夾雜對(duì)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(zhì)不同，其結(jié)合力的強(qiáng)弱也對(duì)鋼材基體影響不同，其中結(jié)合力弱且尺寸大的脆性?shī)A雜和球狀不變形夾雜的危害可能是災(zāi)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(shù)，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(duì)彈簧鋼疲勞性能的影響，總結(jié)了夾雜物尺寸與鋼材疲勞極限的量化關(guān)系。

1 夾雜物的變形率對(duì)疲勞性能的影響

夾雜物的塑性變形率對(duì)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(guò)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(yīng)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(huì)在夾雜周圍產(chǎn)生一種徑向的拉應(yīng)力，這種應(yīng)力會(huì)促進(jìn)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(huì)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(méi)有破壞硫化物夾雜與鋼基間的界面結(jié)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(diǎn)可有效地增加其塑性變形能力，細(xì)化夾雜物，消除應(yīng)力集中。因此，在爐外精煉過(guò)程中采用合適的脫氧方法和合成渣，對(duì)鋼液中的Al2O3、SiO2等系夾雜進(jìn)行變性處理，形成低熔點(diǎn)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(shí)，還延長(zhǎng)了材料的疲勞壽命，使疲勞應(yīng)力幅值提高了30MPa以上。

2 夾雜物的數(shù)量及尺寸對(duì)疲勞性能的影響

夾雜物的數(shù)量與尺寸對(duì)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(duì)材料的疲勞性能影響越大。飯久保知人[2]等通過(guò)采用ULO(超低氧)與ULO+UL-TiN(超低氧+超低TiN)技術(shù)生產(chǎn)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(shù)僅能達(dá)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(duì)疲勞斷口疲勞源進(jìn)行掃描電鏡觀察表明，ULO工藝生產(chǎn)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(duì)彈簧鋼的疲勞性能的影響

夾雜物的尺寸對(duì)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(duì)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(qiáng)度越高，夾雜物對(duì)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(qiáng)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(guān)系[4]：

Kf∞D(zhuǎn)1/3

(1)

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

圖3 疲勞破壞點(diǎn)的夾雜物平均直徑與彎曲疲勞極限間的關(guān)系

研究表明[5]，當(dāng)夾雜尺寸小于幾微米時(shí)，夾雜處萌生疲勞裂紋源的幾率較小，但當(dāng)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(yīng)力水平的增加，夾雜尺寸對(duì)疲勞壽命的影響更嚴(yán)重。Kawada[6]等人指出：僅當(dāng)抗拉強(qiáng)度高于某臨界值時(shí)，夾雜對(duì)材料的疲勞極限才會(huì)產(chǎn)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(duì)疲勞性能的影響

鋼材中夾雜物引起的應(yīng)力集中程度與其形狀有密切關(guān)系。夾雜物的曲率半徑越小，其引起的應(yīng)力集中程度越嚴(yán)重。在交變應(yīng)力的作用下，裂紋會(huì)優(yōu)先在垂直于拉應(yīng)力的方向上的夾雜物尖角處萌生，且裂紋擴(kuò)展速率也比球狀?yuàn)A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(duì)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?yàn)楹笳叩膲K狀多棱角TiN夾雜更少。

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

σ-1?1.6Hv±0.1Hv(Hv≤400)

(2)

對(duì)于強(qiáng)度更高的材料則不具備此類線性關(guān)系，材料的σw隨σb或HV的增加而更加分散，且高強(qiáng)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(qiáng)度鋼對(duì)微小缺陷和非金屬夾雜十分敏感。據(jù)統(tǒng)計(jì)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(yīng)力化的進(jìn)一步發(fā)展，彈簧鋼將不可避免的應(yīng)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(duì)其疲勞性能的影響將變的更為突出。

4 夾雜物的尺寸評(píng)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(lái)也對(duì)如何確定一定體積鋼中的最大夾雜尺寸進(jìn)行了研究。

利用目前的標(biāo)準(zhǔn)金相法評(píng)價(jià)的夾雜尺寸是明顯偏小的，而采用疲勞試驗(yàn)，根據(jù)材料斷口斷裂源處的夾雜尺寸來(lái)確定最大夾雜是相對(duì)準(zhǔn)確而寶貴的，但此種方法非常費(fèi)時(shí)與費(fèi)力。最近應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)極值理論已經(jīng)能夠較為準(zhǔn)確地確定材料中的最大夾雜尺寸，雖然仍然存在不少的問(wèn)題，但也為今后潔凈高強(qiáng)鋼的夾雜統(tǒng)計(jì)分析指明了研究方向。

近年來(lái)主要新發(fā)展了兩種評(píng)估方法——統(tǒng)計(jì)極值法(statistics of value、SEV)與廣義帕雷托法(generalized Pareto distribution、GPD)[10]。統(tǒng)計(jì)極值法是通過(guò)觀察較多大小相同的視場(chǎng)，并測(cè)量每個(gè)視場(chǎng)中的最大夾雜面積，再開平方根得到此夾雜的尺寸，然后運(yùn)用Gumbel分布函數(shù)對(duì)鋼中的最大夾雜尺寸進(jìn)行評(píng)估。此方法沒(méi)有上限，其預(yù)測(cè)的最大夾雜尺寸會(huì)隨著被預(yù)測(cè)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(gè)視場(chǎng)中大于某臨界門檻值μ的尺寸，與SEV相比，其預(yù)測(cè)的最大夾雜尺寸有上限值，這比較符合現(xiàn)實(shí)。

中科院的張建鋒等人[11]利用此兩種統(tǒng)計(jì)方法對(duì)42CrMo鋼中的夾雜尺寸進(jìn)行了評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估的結(jié)果預(yù)測(cè)了材料的疲勞強(qiáng)度，結(jié)果表明，這兩種方法預(yù)測(cè)的夾雜尺寸及其疲勞強(qiáng)度與超聲疲勞試驗(yàn)結(jié)果十分接近，在一定小體積范圍內(nèi)SEV方法預(yù)測(cè)的結(jié)果與試驗(yàn)更為接近，但對(duì)于體積較大的鋼中的最大夾雜物的預(yù)測(cè)尚不明確，還需試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。這兩種方法預(yù)測(cè)的疲勞強(qiáng)度與試驗(yàn)結(jié)果都較接近，可以利用這兩種方法進(jìn)行鋼的疲勞強(qiáng)度的預(yù)測(cè)，但SEV方法相對(duì)略顯保守。

5 夾雜物與疲勞極限的量化關(guān)系

關(guān)于鋼的純潔度與材料疲勞極限間的關(guān)系研究開始較早，但并沒(méi)有取得滿意結(jié)果。1979年，Mitchell[12]提出了所謂的“疲勞缺口因子法”，用以研究細(xì)小的缺陷與夾雜對(duì)材料疲勞極限的影響。但隨后Murakami[13-14]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該方法并不準(zhǔn)確，雖然所有試樣的應(yīng)力強(qiáng)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(guò)實(shí)驗(yàn)指出：在研究分析材料疲勞極限和硬度之間的精確關(guān)系時(shí)，硬度不應(yīng)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(huì)使硬度HV大于500的材料疲勞極限大幅度下降，而當(dāng)材料顯微組織中的滑移帶成為疲勞源時(shí)，材料疲勞極限與HV間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式(2)仍然適用。

對(duì)于沒(méi)有內(nèi)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(qiáng)度(σb)的0.5倍。關(guān)于材料疲勞極限與夾雜物間的關(guān)系，Murakami等人總結(jié)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(guò)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(huì)在界面上產(chǎn)生一定的微觀裂紋，這種微觀裂紋會(huì)成為疲勞斷裂的根源，而材料組織中超過(guò)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(duì)材料疲勞極限的危害程度，但是迄今為止還無(wú)法通過(guò)精確的計(jì)算來(lái)確定某一強(qiáng)度的材料的具體夾雜物“臨界尺寸”值?？梢源_定的是，通過(guò)改進(jìn)煉鋼工藝來(lái)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(jìn)彈簧鋼的疲勞特性。

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

6 結(jié)束語(yǔ)

非金屬夾雜物的變形率、數(shù)量、尺寸、形狀及分布對(duì)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(guān)系尚未達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，但是部分對(duì)特定鋼種的預(yù)測(cè)是較為精確的。隨著鋼材冶煉技術(shù)的改進(jìn)，在煉鋼過(guò)程中采用先進(jìn)技術(shù)使其中的非金屬夾雜的性質(zhì)得以改變，同時(shí)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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