夹杂物尺寸对汽车车轮用钢疲劳寿命的影响
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夹杂物尺寸对汽车车轮用钢疲劳寿命的影响
技 术 中心 中南大 学 李
摘
会 许 晓嫦
要
赵 凤 晓
本文用 ＭＴ Ｓ ８ ５ ８电液伺 服疲 劳实验机研究 了高强度 车轮用钢 的疲劳寿命 ， 并用 Ｑ ｕ ａ ｎ ｔ ａ ６ ０ ０ 环境扫描电子显微镜对疲 劳断 口形貌进行 了观察 。通过对 实验数据分析 ， 计算得 出了夹杂物的 临界尺寸 ， 并根据正态分布理论对车轮钢的疲劳寿命进行 了预测 。研究结 果表 明， 疲劳裂纹 均 是从 内部或者亚表面的夹杂物处萌生 ， 能谱分析 表明夹杂物 的成分 主要 是钙铝 的氧 化物 ， 测量 所得裂纹源处夹杂物尺寸大部 分超过 了临界尺寸 。
单 联工艺 相 比， 优化 后 的 Ｒ Ｈ ＋Ｌ Ｆ双 联 工 艺
制方向分别各取样 ４个。拉伸试样制作依照 Ｇ Ｂ ／ ， Ｉ ２ ２ ８ —— ＿ ２ ｏ ０ ２ 《 金 属 材 料 室 温 拉 伸 试 验
方法 》 进行 ， 其 中试 样 标 距 ５ ０ ｍｍ， 标 距 段 宽 度为 １ ５ ｍｍ； 轴 向 加 载 疲 劳 试 样 制 作 依 照
于试样 内部 ， 这些夹杂物多呈球形 ， 与基体的
界面脱 离 。在试样 表 面和亚表 面处未 发现作
参数， 主要是夹杂物尺寸及夹杂物所处位置 ，
见表 ３ 。
表 ３ 疲劳断 Ｉ Ｓ Ｉ 夹杂 物 特 征 参 数
为起裂源的夹杂物存在。在裂纹源夹杂物周 围存 在 明显 暗 区 ， 有高 周 疲 劳典 型 的“ 鱼眼” 疲劳 断 口特征 。对 于 Ｇ试 样 ， 疲 劳开 裂 大部 分起 源于表 面或 者亚 表面 的球 形夹杂 物或小
１ 所示 。
表１ 试验材料的化学成 分（ 质量分数／ ％）
兰 壅坌 ！ 曼 鱼兰 ： ： ！ ： ： 里 ： 竺 ： 旦 竺 ： 旦 ！ ： 丝 每 种规格 试样按 平行轧 制方 向和垂 直轧
寿命 ， 为此研究夹杂物对疲劳寿命的影响成为 当前 车轮钢研究 的主要 方 向之一 。 为对 比夹杂物尺寸对疲劳寿命的影响， 本 文研究 了两 种 不 同 冶 炼 工艺 （ Ｒ Ｈ ＋Ｌ Ｆ双 联和 Ｌ Ｆ 单联 ） 过 程的高强度车轮钢 ， 与Ｌ Ｆ
所有试样经线切割加工成毛坯 ， 并留存 足够的加工余量。试样实验段用 ８ ０ ０目砂纸 进行仔 细 的机 械抛 光处 理 ， 去掉 表 面 横 向加 工刀痕的影响， 同时减弱残余应力的影响。
１ ． ２ 实验 方 法
１ 试验材料及方法
１ ． １ 试 验材 料
实验材料均为国内某钢铁厂常规板带生
疲劳实验在 Ｍ Ｔ Ｓ ８ ５ ８电液伺服疲劳试验
１ ３
表 面基 体 缺 陷 处 。对 Ｌ 、 Ｇ试 样 裂 纹 源 位 置 统计 发现 ， Ｌ试 样 裂 纹 大部 分 起 源 于 内部夹 杂物 ， Ｇ试样 裂纹大 部分起 源于表 层夹杂 物 。 Ｌ 、 Ｇ试 样 典 型 裂 纹 源 Ｓ Ｅ Ｍ 照 片 及 能谱
夹杂 物 团簇 ， 夹 杂物大 部分呈 椭球形 ， 尺寸差 别较 大 ， 多数夹 杂物有 破碎 、 开 裂 的现象 。裂 纹源 沿 断 口周边 分 布 ， 具 有 多源 特 征 。裂纹
…
黼
麓 暴 麓
源处夹杂物的能谱分析表 明， 这些夹杂物主 要含有 Ａ ｌ 、 Ｃ ａ 、 ０等元素， 个别含少量的 ． Ｍ ｇ 、 Ｓ ｉ 、 Ｓ等元 素 。 对断 口 表面夹杂物尺寸统计分析发现， 对 于 Ｌ试 样 ， 断 口表 面 较 洁 净 ， 不 存 在 夹 杂
图如 图 ３所示 。
些小 尺寸夹 杂物 的团聚 能够起 到大尺 寸夹杂
物的作用 ， 如果把夹杂物团簇 中每个夹杂物 的面积加起来 ， 其尺寸约等效于直径为 １ ５ ｕ ｍ 的大夹杂 物。
２ ． ３ 断口上夹杂 物统计 实验 测量 了疲 劳 断 口上一 些重要 的特征
来自百度文库
Ｌ 、 Ｇ试样 疲 劳开 裂 的裂 纹源 明显 不 同 ， 对 于 Ｌ试样 ， 作 为 裂纹 源 的夹 杂 物 一般 存 在
近年来 ， 随着汽车的轻量化和高性能化以 及重载运输 的发展 ， 对 车轮的安全性和可靠性 提出了更高的要求。车轮是汽车重要的部件， 它 的结 构及 性 能直 接影 响整 车 的安 全 技术性 能 。车轮的破坏 形式 以成 型破 坏 和疲 劳失 效 破坏为主， 其中８ ０ ％ 以上由疲劳失效破坏引 起， 因此车轮的疲劳寿命是车轮最重要的性能 指标。基体中存在的夹杂物对车轮钢的疲劳 性能有很大的影响， 特别是大尺寸夹杂物对疲 劳性能有致命 的影响 ， 尤其在高周疲劳实验 中， 长寿命区疲劳破坏主要起源于钢中的大尺
Ｇ Ｂ ／ Ｔ ３ ０ ７ ５— １ ９ ８ ２ ｛ 金属轴 向疲劳试验方法》 进行 ， 其 中试样 总长度为 ２ ０ ６ ｍ ｍ， 受力部分 为半径 １ ２ ０ ｍ ｍ圆弧连 接。所有试样厚 度均
为４ ｍ ｍ。如 图 １所示 。
能有效的去除钢中夹杂物， 减小夹杂物尺寸。 并 在实 验数据 的基 础上 分析 了钢 中夹杂物 尺 寸对疲劳寿命 的影响。
（ 优化后 ） 一Ｃ Ｃ 一热轧； 铁水 一 Ｋ Ｒ深脱 硫 一 Ｂ Ｏ Ｆ － ÷ Ｌ Ｆ Ｃ Ｃ 一热 轧； 热轧 Ｆ Ｄ Ｔ 温 度 均 为
８ ９ ０ ℃， Ｃ Ｔ温度为 ５ ８ ０ ｏ Ｃ， 冷却方式为前段集 中冷却。试样取 自 热轧成品板厚度为 ４ ｍ ｍ。 试验用高强度车轮用钢的化学成分如表
寸非金 属夹 杂物 。车轮钢 向高强 度 和长寿命 发展是 当前车 轮钢 生产 和应 用 中表现 出来 的 趋势 ， 迫 切需要提高车 轮钢的强度和延长 疲劳
产线所生产的高强度车轮用钢， 两种不 同冶 炼工艺试样分别编号为 Ｌ 、 Ｇ 。Ｌ 、 Ｇ生产工艺 分别为 ： 铁水 Ｋ Ｒ深脱硫 一Ｂ Ｏ Ｆ Ｒ Ｈ＋ Ｌ Ｆ ＇
技 术 中心 中南大 学 李
摘
会 许 晓嫦
要
赵 凤 晓
本文用 ＭＴ Ｓ ８ ５ ８电液伺 服疲 劳实验机研究 了高强度 车轮用钢 的疲劳寿命 ， 并用 Ｑ ｕ ａ ｎ ｔ ａ ６ ０ ０ 环境扫描电子显微镜对疲 劳断 口形貌进行 了观察 。通过对 实验数据分析 ， 计算得 出了夹杂物的 临界尺寸 ， 并根据正态分布理论对车轮钢的疲劳寿命进行 了预测 。研究结 果表 明， 疲劳裂纹 均 是从 内部或者亚表面的夹杂物处萌生 ， 能谱分析 表明夹杂物 的成分 主要 是钙铝 的氧 化物 ， 测量 所得裂纹源处夹杂物尺寸大部 分超过 了临界尺寸 。
单 联工艺 相 比， 优化 后 的 Ｒ Ｈ ＋Ｌ Ｆ双 联 工 艺
制方向分别各取样 ４个。拉伸试样制作依照 Ｇ Ｂ ／ ， Ｉ ２ ２ ８ —— ＿ ２ ｏ ０ ２ 《 金 属 材 料 室 温 拉 伸 试 验
方法 》 进行 ， 其 中试 样 标 距 ５ ０ ｍｍ， 标 距 段 宽 度为 １ ５ ｍｍ； 轴 向 加 载 疲 劳 试 样 制 作 依 照
于试样 内部 ， 这些夹杂物多呈球形 ， 与基体的
界面脱 离 。在试样 表 面和亚表 面处未 发现作
参数， 主要是夹杂物尺寸及夹杂物所处位置 ，
见表 ３ 。
表 ３ 疲劳断 Ｉ Ｓ Ｉ 夹杂 物 特 征 参 数
为起裂源的夹杂物存在。在裂纹源夹杂物周 围存 在 明显 暗 区 ， 有高 周 疲 劳典 型 的“ 鱼眼” 疲劳 断 口特征 。对 于 Ｇ试 样 ， 疲 劳开 裂 大部 分起 源于表 面或 者亚 表面 的球 形夹杂 物或小
１ 所示 。
表１ 试验材料的化学成 分（ 质量分数／ ％）
兰 壅坌 ！ 曼 鱼兰 ： ： ！ ： ： 里 ： 竺 ： 旦 竺 ： 旦 ！ ： 丝 每 种规格 试样按 平行轧 制方 向和垂 直轧
寿命 ， 为此研究夹杂物对疲劳寿命的影响成为 当前 车轮钢研究 的主要 方 向之一 。 为对 比夹杂物尺寸对疲劳寿命的影响， 本 文研究 了两 种 不 同 冶 炼 工艺 （ Ｒ Ｈ ＋Ｌ Ｆ双 联和 Ｌ Ｆ 单联 ） 过 程的高强度车轮钢 ， 与Ｌ Ｆ
所有试样经线切割加工成毛坯 ， 并留存 足够的加工余量。试样实验段用 ８ ０ ０目砂纸 进行仔 细 的机 械抛 光处 理 ， 去掉 表 面 横 向加 工刀痕的影响， 同时减弱残余应力的影响。
１ ． ２ 实验 方 法
１ 试验材料及方法
１ ． １ 试 验材 料
实验材料均为国内某钢铁厂常规板带生
疲劳实验在 Ｍ Ｔ Ｓ ８ ５ ８电液伺服疲劳试验
１ ３
表 面基 体 缺 陷 处 。对 Ｌ 、 Ｇ试 样 裂 纹 源 位 置 统计 发现 ， Ｌ试 样 裂 纹 大部 分 起 源 于 内部夹 杂物 ， Ｇ试样 裂纹大 部分起 源于表 层夹杂 物 。 Ｌ 、 Ｇ试 样 典 型 裂 纹 源 Ｓ Ｅ Ｍ 照 片 及 能谱
夹杂 物 团簇 ， 夹 杂物大 部分呈 椭球形 ， 尺寸差 别较 大 ， 多数夹 杂物有 破碎 、 开 裂 的现象 。裂 纹源 沿 断 口周边 分 布 ， 具 有 多源 特 征 。裂纹
…
黼
麓 暴 麓
源处夹杂物的能谱分析表 明， 这些夹杂物主 要含有 Ａ ｌ 、 Ｃ ａ 、 ０等元素， 个别含少量的 ． Ｍ ｇ 、 Ｓ ｉ 、 Ｓ等元 素 。 对断 口 表面夹杂物尺寸统计分析发现， 对 于 Ｌ试 样 ， 断 口表 面 较 洁 净 ， 不 存 在 夹 杂
图如 图 ３所示 。
些小 尺寸夹 杂物 的团聚 能够起 到大尺 寸夹杂
物的作用 ， 如果把夹杂物团簇 中每个夹杂物 的面积加起来 ， 其尺寸约等效于直径为 １ ５ ｕ ｍ 的大夹杂 物。
２ ． ３ 断口上夹杂 物统计 实验 测量 了疲 劳 断 口上一 些重要 的特征
来自百度文库
Ｌ 、 Ｇ试样 疲 劳开 裂 的裂 纹源 明显 不 同 ， 对 于 Ｌ试样 ， 作 为 裂纹 源 的夹 杂 物 一般 存 在
近年来 ， 随着汽车的轻量化和高性能化以 及重载运输 的发展 ， 对 车轮的安全性和可靠性 提出了更高的要求。车轮是汽车重要的部件， 它 的结 构及 性 能直 接影 响整 车 的安 全 技术性 能 。车轮的破坏 形式 以成 型破 坏 和疲 劳失 效 破坏为主， 其中８ ０ ％ 以上由疲劳失效破坏引 起， 因此车轮的疲劳寿命是车轮最重要的性能 指标。基体中存在的夹杂物对车轮钢的疲劳 性能有很大的影响， 特别是大尺寸夹杂物对疲 劳性能有致命 的影响 ， 尤其在高周疲劳实验 中， 长寿命区疲劳破坏主要起源于钢中的大尺
Ｇ Ｂ ／ Ｔ ３ ０ ７ ５— １ ９ ８ ２ ｛ 金属轴 向疲劳试验方法》 进行 ， 其 中试样 总长度为 ２ ０ ６ ｍ ｍ， 受力部分 为半径 １ ２ ０ ｍ ｍ圆弧连 接。所有试样厚 度均
为４ ｍ ｍ。如 图 １所示 。
能有效的去除钢中夹杂物， 减小夹杂物尺寸。 并 在实 验数据 的基 础上 分析 了钢 中夹杂物 尺 寸对疲劳寿命 的影响。
（ 优化后 ） 一Ｃ Ｃ 一热轧； 铁水 一 Ｋ Ｒ深脱 硫 一 Ｂ Ｏ Ｆ － ÷ Ｌ Ｆ Ｃ Ｃ 一热 轧； 热轧 Ｆ Ｄ Ｔ 温 度 均 为
８ ９ ０ ℃， Ｃ Ｔ温度为 ５ ８ ０ ｏ Ｃ， 冷却方式为前段集 中冷却。试样取 自 热轧成品板厚度为 ４ ｍ ｍ。 试验用高强度车轮用钢的化学成分如表
寸非金 属夹 杂物 。车轮钢 向高强 度 和长寿命 发展是 当前车 轮钢 生产 和应 用 中表现 出来 的 趋势 ， 迫 切需要提高车 轮钢的强度和延长 疲劳
产线所生产的高强度车轮用钢， 两种不 同冶 炼工艺试样分别编号为 Ｌ 、 Ｇ 。Ｌ 、 Ｇ生产工艺 分别为 ： 铁水 Ｋ Ｒ深脱硫 一Ｂ Ｏ Ｆ Ｒ Ｈ＋ Ｌ Ｆ ＇