高品质轴承钢疲劳寿命预测模型及夹杂物影响规律研究

电化学测试结果表明:有机物辅助制备材料拥有出色的倍率性能(10 C下为110 mAh·g^-1),水热辅助制备材料表现出最佳的循环稳定性（50周充放电后容量保持率为94.1%）。采用电化学活性材料MnO₂对富锂锰基材料进行包覆改性,通过其改性前后电化学反应的变化讨论其包覆改性作用机理。

除MnO₂包覆层能供锂离子可逆脱嵌外,包覆热处理过程中由于层状相中锂、镍元素发生迁移扩散而形成的尖晶石复合相,同样可逆地参与了电化学反应,由此显著减少了首次不可逆容量损失。同时,MnO₂包覆层缓解了电极与电解质之间副反应,其内部形成的尖晶石相提供了利于锂离子快速交换的扩散通道,有效提高了电荷转移效率。

包覆材料表现出有效提高的倍率性能和循环稳定性。

高品质轴承钢疲劳寿命预测模型及夹杂物影响规律研究轴承钢中的夹杂物对疲劳性能有重要的影响。以提高轴承钢疲劳性能为目的,研究国内外轴承钢质量的差异、不同生产工艺及加载条件下各类氧化物夹杂的临界尺寸,并实现不同特征夹杂物对疲劳性能影响的预测,进而为轴承钢生产提供方向,对有效提高我国轴承钢生产水平具有重要的意义。

本研究即围绕此目标,通过实验室研究、热态实验、工业试验等手段展开相关研究。通过对国内外高品质轴承钢的冶金质量与疲劳性能的比分析发现,国内部分轴承钢的疲劳性能已与国外高品质轴承钢相近,且洁净度控制思路与国外轴承钢F2类似,即严格控制钢中全氧含量及氧化物类夹杂,尤其是对疲劳性能影响较大的钙铝酸盐类夹杂物,但国内轴承钢在Ti含量控制及钙铝酸盐类夹杂物控制方面仍需提高。

通过控制全氧含量的50 kg级热态实验,分析相同脱氧方式下轴承钢中不同全氧含量对氧化物夹杂和疲劳性能的影响,研究发现夹杂物诱发的疲劳断口裂纹

源处主要为钙铝酸盐类夹杂物,其次为尖晶石类夹杂物,未发现由硅酸盐类夹杂物诱发的疲劳断裂。对比不同夹杂物的最大裂尖应力强度因子(SIF)Kmax,inc可知:尖晶石类夹杂物引起轴承钢中裂纹萌生的临界应力强度因子与钙铝酸盐类夹杂物相比更小(尖晶石类夹杂物:2.92 MPa·m1/2;钙铝酸盐类夹杂物:3.68 MPa·m1/2),并由此推断出当疲劳载荷为1200 MPa时,轴承钢A、B和C中尖晶石与钙铝酸盐类夹杂物的临界尺寸分别为8.5μm及13.5μm。

此外,随着轴承钢中全氧含量的降低,其中由影响疲劳性能的关键夹杂物所贡献的全氧含量逐渐降低,此时应在保持全氧含量较低的基础上,着重控制轴承钢中的关键夹杂物,以提高轴承钢的疲劳性能。通过100 t级工业试验对不同脱氧方式下的高品质轴承钢中氧化物夹杂的演变及疲劳性能的对比发现:增加钢中硅酸盐类夹杂物、降低钢中钙铝酸盐类夹杂物后,非铝脱氧轴承钢中全氧含量与铝脱氧轴承钢相比虽较高,但两者疲劳性能在超高周阶段相近。

在铝脱氧轴承钢中由氧化物夹杂诱发的疲劳断裂的比例为62.5%(全部为球形钙铝酸盐类夹杂物),而在非铝脱氧轴承钢中所发生的疲劳断裂均由基体不均匀所诱发,裂纹源处无夹杂物,即采用该冶炼方法可降低轴承钢中氧化物夹杂对疲劳性能的影响。基于上述研究基础,本研究建立轴承钢微观结构模型,并提出了一种在微观结构模型中引入夹杂物的新方法,即考虑在热处理冷却过程中由于夹杂物与钢基体不同的热膨胀系数而在夹杂物周围产生的残余应力分布。

通过该模型可在不同疲劳载荷下,对受不同尺寸及类型的氧化物夹杂影响的疲劳裂纹源位置及疲劳寿命进行预测。通过对预测结果与疲劳实验数据的对比,该模型纠正了未添加残余应力的微观结构模型的预测结果中的不准确估计,可提供更准确的疲劳裂纹源位置及疲劳寿命的预测结果,为定量分析不同夹杂物特征

对疲劳性能的影响提供基础。