夹杂物尺寸对汽车车轮用钢疲劳寿命的影响.pdf

第3 3 卷第1 期 2 0 1 3 年0 2 月 矿冶工程 M I N I N GA N D d 哪A L I 服G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 3 №1 F e b r u a r y2 0 1 3 夹杂物尺寸对汽车车轮用钢疲劳寿命的影响① 赵凤晓1 ，李譬，许晓嫦1 ，李良1 ，徐浩浩1 1 ．中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 ；2 ．涟源钢铁公司技术中心，湖南娄底4 1 7 0 0 0 摘要采用M T 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O ．柚t a6 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。 关键词车轮用钢；疲劳寿命；夹杂物；临界夹杂物尺寸 中图分类号T G l1 5文献标识码A ．d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 1 ．0 2 5 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 1 0 1 0 1 0 5 I n f l u e n c eo fI n c l u s i o nS i z eo nF a t i g u eL i f eo fH i g hS t r e n g t hS t e e l f o rA u t o m o b i l e Ⅵm e e l Z H A OF e n g - x i a 0 1 ，L IH u i 2 ，X UX i a o c h a n 9 1 ，UI A a n 9 1 ，X UH a o - h a 0 1 1 ．S c h o o lo f 脑融S c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，C e n t r a ls D 砒U n i 粥r s i t y ，嘶胁4 1 0 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a ；ZT e c h n o l o g y C e n t e r ，L i a n y u a nS t e e lC o r p o r a t i o n ，L o u d i4 1 7 0 0 0 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t T h ef a t i g u el i f eo fh i l s hs t r e n g t hs t e e lf o ra u t o m o b i l ew h e e lw a si n v e s t i g a t e db yM T S 8 5 8e l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v o f a t i g u et e s t i n g ，a n dt h e nt h ef a t i g u ef r a c t u r em o r p h o l o g yw a sa n a l y z e db yQ u a n t a6 0 0s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e S E M ．B a s e do nt h ep r e l i m i n a r ya n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ec r i t i c a l s i z e o fi n c l u s i o n sW a Sc a l c u l a t e d ． A c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fn o r m a ld i s t r i b u t i o n ，f a t i g u el i f eo ft h ew h e e ls t e e lW a sp r e d i c t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e f a t i g u ec r a c k sa r ea l li n i t i a t e df r o mt h ei n t e r n a la n ds u b s u r f a c ei n c l u s i o n s ．T h ee n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i si n d i c a t e st h a t t h em a i nc o m p o n e n t so ft h ei n c l u s i o n sa r eo x i d e so fc a l c i u ma n da l u m i n i u m ．T h em e a s u r e ds i z e o fm o s to ft h ei n c l u s i o n s a tt h ec r a c ks o u r c e sa r el a r g e rt h a nt h ec r i t i c a ls i z e ． K e yw o r d s a u t o m o b i l ew h e e ls t e e l ；f a t i g u el i f e ；i n c l u s i o n ；c r i t i c a ls i z e o fi n c l u s i o n 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寸非金属夹杂物B j 。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 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【3 。4J 。 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 双联工艺和L F 单联工 艺 制备的高强度车轮钢，与L F 单联工艺相比，优化 后的R H L F 双联工艺能有效去除钢中夹杂物，减小 夹杂物尺寸。 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产线所生 产的高强度车轮用钢，两种不同冶炼工艺 R H L F 双 联、L F 单联 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- B O F _ R H L r 优化后 - C C _ 热轧；铁水_ K R 深脱硫_ B O F - L F _ C C _ 热轧；热 轧F D T 温度均为8 9 0 ℃，C T 温度为5 8 0 ℃，冷却方式为 ①收稿日期2 0 1 2 - 0 9 - 2 4 作者简介赵凤晓 1 9 8 9 一 ，男，山东聊城人，硕士研究生，主要研究金属强韧化。 通讯作者许晓嫦 1 9 6 3 一 ，女，湖南湘乡人，教授。主要从事金属强韧化研究。 万方数据 矿冶工程 第3 3 卷 前段集中冷却。试样取自热轧成品板，厚度为4m m 。 试验用高强度车轮用钢的化学成分如表1 所示。 表1 试验材料的化学成分 质量分数 ／％ c S iM nPSN bA IT i F e 0 ．0 70 ．3 01 ．3 50 ．0 1 50 ．0 0 50 ．0 2 00 ．0 1 50 ．0 2 0 余量 每种规格试样按平行轧制方向和垂直轧制方向分 别各取样4 个。拉伸试样制作依照G B ／T 2 2 8 2 0 0 2 金属材料室温拉伸试验方法进行，其中试样标距5 0 m m ，标距段宽度为1 5m m ；轴向加载疲劳试样制作依 照G B ／T3 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 6m m ，受力部分为半径1 2 0m m 圆弧连接。所有试样厚度均为4m m 。如图l 所示。 图1 试样尺寸 a 拉伸实验； b 疲劳实验 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 疲劳实验在M T S 8 5 8 电液伺服疲劳试验机上完 成，根据国标G B T 5 3 3 4 2 0 0 5 乘用车车轮性能要求 和试验方法，在确定加载力下，研究其疲劳周次，以 此尽量匹配车轮的实际情况。其中，径向载荷的确定 公式F ， K F 。K 取值2 ．2 ，F 。为车辆或车轮制造商规 定的车轮额定负载值，取值98 0 0N ，由此确定轴向加 载力为2 0k N ，实验加载波形为正弦波，拉一拉加载方 式，应变比R 0 ．1 ，共振频率为1 1 0H z 。本文所采用 的实验加载力和实验频率接近实际应用。上述实验均 在大气中进行，温度为2 0 ℃。用Q u a n t a6 0 0 环境扫描 电子显微镜 S E M 观察试样基体夹杂物与疲劳断口，同 时利用S E M 上附带的E D S 能谱仪分析夹杂物的成分。 2 试验结果 2 ．1 车轮钢的微观组织和力学性能 图2 为两种试样的光学显微观察照片。由图2 可 见，这种L 、G 试样均以铁素体为基体，在铁素体晶界 处弥散的分布着少量的珠光体及游离碳化物。晶粒尺 寸均在5 0I , z m 左右，晶粒度评级为1 1 级。 图2 组织观察照片 a L 试样； b G 试样 图3 为两种试样的S E M 照片，观察发现，G 试样 基体中存在的夹杂物尺寸明显大于L 试样，且存在球 形、三角形、不规则形状及条状等多种形貌的夹杂物， 较大夹杂物尺寸在2 5 m 左右，对夹杂物评级为D 2 ．0 级；L 试样基体中存在的夹杂物形态较单一，尺寸较 小，夹杂物评级为D 1 ．0 级。能谱分析表明，L 试样夹 杂物中主要存在的元素为O 、A 1 、C a ，以A O ，、C a O 夹 杂物为主；G 试样中除L 试样中的夹杂物外，还存在少 量的条状M n S 夹杂物。 墨■圈■圜暖霸圈圈i 目圈墨萱一离■圜■翻蕾西圈墨宣曷置蓝宣一 图3 基体夹杂物S E M 照片 a I ．试样； b G 试样 两种工艺采用的是同一种轧制工艺，成分按照内 控窄成分控制，因此，L 、G 两试样的力学性能基本一 致，冶炼工艺的变化对力学性能的影响比较小，仅影响 了夹杂物等级。表2 示出两种试样的力学性能。 表2 两种试样的力学性能 万方数据 第1 期赵风晓等夹杂物尺寸对汽车车轮用钢疲劳寿命的影响 1 0 3 2 ．2 疲劳断口分析 在S E M 下对所有断裂的径向疲劳试样断口进行 微观观察，结果发现疲劳裂纹均起源于3 个位置内部 夹杂物、表层夹杂物和表面基体缺陷处L5 。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 照片及能谱图如图4 所示。 图4 疲劳断口裂纹源处S E M 照片和能谱图 a L 试样裂纹源； b G 试样裂纹源 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 、O 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，不存在夹杂物聚集团簇现象，作 为裂纹源的夹杂物尺寸最小为3 斗m ，最大为1 0 斗m 。 对于G 试样，断口表面夹杂物团簇现象明显，存在尺 寸在2 5 “m 左右的大夹杂物，严重破坏了基体的连贯 性，产生较大的应力集中。对于以团簇状态存在的小 尺寸夹杂物，研究发现即使单个夹杂物尺寸很小，在 3 ～5u m 之间，但是这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 肛m 的 大夹杂物i6 i 。 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 疲劳断口夹杂物特征参数 雠。疲劳寿命夹杂物裂纹源夹杂物 堑里塞画壅垄塑垦皇些竺 件d 自 ／次位置平均尺寸／m 最小最大 L 试样、G 试样的平均疲劳寿命分布为1 7 8 万次， 1 1 9 万次；L 试样、G 试样断口上的夹杂物平均尺寸分 别为1 1 ．3 5 斗m ，2 0 ．4 8 斗m 。对比发现，L 试样的夹杂 物尺寸明显小于G 试样，且L 试样中夹杂物的分散性 更好，发现小夹杂团簇的次数明显少于G 试样，其疲 劳寿命也高。 两种板材疲劳裂纹源处夹杂物尺寸与疲劳寿命的 统计如图5 所示。 由图5 a 可以发现，裂纹源处存在的最大夹杂物 尺寸与疲劳寿命呈现明显的反相关关系，对于疲劳寿 命高于1 5 0 万次的试样中不存在大尺寸夹杂物，最大 夹杂物尺寸在1 5 斗m 以内；对于疲劳寿命低于5 0 万 次的试样中，均存在尺寸超过3 0 斗m 的大尺寸夹杂 物。由图5 b 可以发现，起裂源处存在的最小夹杂物 尺寸与疲劳寿命的反相关关系不明显。分析认为，相 对于基体中的大尺寸夹杂物，小尺寸夹杂物对疲劳寿 命的影响较小，在多源起裂的试样中，疲劳寿命强烈的 依赖于基体中存在的最大夹杂物尺寸，其产生的畸变 导致严重的应力集中，所以疲劳寿命不是很高。疲劳 寿命主要与基体中存在的最大尺寸夹杂物有关，受小 尺寸夹杂物的影响较小。 万方数据 矿冶工程 第3 3 卷 最小夹杂物尺寸／p m 图5 起裂源处夹杂物尺寸与疲劳寿命关系圈 a L 试样； b G 试样 3 分析 3 ，1 临界夹杂物尺寸 高周疲劳的研究表明，当疲劳载荷下降到传统疲 劳极限以下时，疲劳仍然会发生，且试样的疲劳裂纹倾 向于在内部的夹杂等缺陷处萌生o 。钢中的夹杂物 尺寸越小，它对疲劳性能的影响就越小，但是无限的追 求夹杂物的细化，会大幅度地提高钢材的生产成本，因 此只要把夹杂物控制在某一临界尺寸以下，疲劳裂纹 就不会从夹杂物处萌生J 。 大量的研究一。刮结果表明钢中的夹杂物尺寸存在 个临界值，小于该临界值时，疲劳裂纹将不在夹杂物处 萌生。前人在研究的基础上推导出的表达式1 1 到为 ．门 一．一6 乒i f 离f 1 十挲1 1 1 ‘l U 、 ／1 V ／。 式中和溉。为临界夹杂尺寸，l a , m ；C “为夹杂物位置系 数，其中下标i 表示夹杂物，n 1 ，2 ，3 分别表示夹杂物 位于表面、亚表面和内部的不同位置，C I ．4 3 ，C 汜 1 ．4 1 ，C ∞ 1 ．5 6 ；H y 为基体的V i e k e r s 硬度，M P a 。 将本实验中两试样的日，代入式 1 中，可以得到内部 夹杂物和表层夹杂物的临界夹杂物尺寸分别为9 ．5 4 6 “m ；1 9 ．8 6 8I ．L m ，试验数据统计的内部夹杂物和表面夹 杂物的平均尺寸分别为l l 。3 5l a , m ，2 0 。4 8 陋m ，大于 临界值，因此所有的疲劳裂纹都是从夹杂物处萌生。 由以上的分析已知，随断口处最大夹杂物尺寸的降低 疲劳寿命明显增大，临界夹杂物尺寸与钢基体的强度 或硬度存在明显的依存关系，随着钢强度或硬度的提 高，临界夹杂物尺寸减小，进而增加了夹杂物处作为开 裂源的可能性引。 3 ．．2 疲劳寿命预测 在疲劳试验的过程中所获得的疲劳寿命数据分散 性较大，如表3 中疲劳寿命最大相差近一倍。如果只 是根据各种试验获得的疲劳数据很难对疲劳寿命有一 个准确的把握。疲劳寿命数据分散的原因很多，材质 本身的不均匀性，试样加工质量以及尺寸上的差异，试 验载荷误差，试验环境如温度、湿度等，都会引起疲劳 寿命数据的分散。为此，应用统计分析的方法处理这 些数据，才能够对试样的疲劳寿命有较为清晰的了解， 才能更准确的为企业制定行业标准提供一个可靠参 考。对数疲劳寿命l 昏Ⅳ服从正态分布，可利用正态分 布理论对疲劳寿命进行统计分析5 l 。 L 试样试验数据如表4 所示。 表4L 试样疲劳寿命 序号 疲劳周次／ X 1 0 3 对疲劳寿命作对数l g N 处理，记为五，均值X 3 ．2 4 5 ，标准差s 0 ．0 2 7 。 根据前人的研究9 | ，对疲劳寿命的预测可根据以 下两式进行 却 X u p s 2 姊 l g 。1 却 3 存活率为9 9 ．9 ％时，标准正态分量u p 一3 ．0 9 ， 将所得数据代入式 2 、式 3 计算可得在该应力水 平下，至少有9 9 ．9 ％的疲劳寿命大于14 5 1 1 0 3 次。 G 试样试验数据如表5 所示。 表5G 试样疲劳寿命 序号 疲劳周次／ X 1 0 ’ 9 0 6 12 3 7 11 3 4 10 8 4 12 8 9 l1 9 4 13 2 3 l3 9 7 3 暑a 9 O 3 B 9 5吣跚蛳伽锄奶鲫哪 ，‘2 i{ 万方数据 第1 期 赵风晓等夹杂物尺寸对汽车车轮用钢疲劳寿命的影响 1 0 5 同理可得在该应力水平下，至少有9 9 ．9 ％的疲 劳寿命大于10 3 1X1 0 3 次。 对比分析不同冶炼工艺下的L 、G 两试样，L 试样 裂纹源处夹杂物平均尺寸11 ．3 5 斗m ，远大于临界夹杂 物尺寸9 ．5 4 6l a , m ，在相同应力水平下，根据正态分布 理论预测L 试样疲劳寿命为14 5 1X1 0 3 次；G 试样裂 纹源处夹杂物平均尺寸为2 0 ．4 8 m ，大于临界夹杂物 尺寸1 9 ．8 6 8 斗m ，对G 试样疲劳寿命预测为10 3 1X 1 0 3 次。由此可得疲劳寿命随夹杂物尺寸的增大呈 现明显降低的趋势。 L 、G 试样中，大尺寸夹杂物、团簇状小尺寸夹杂物 一般作为多源裂纹源，严重影响疲劳寿命。为提高疲 劳寿命，应改善冶炼的工艺，R H L F 双联工艺可明显 减小夹杂物尺寸，有利于疲劳寿命的提高。同时必须 通过降低S 、O 和N 元素含量，以降低小尺寸夹杂物的 数量，并改进冶炼工艺，确保钢中小尺寸夹杂物的弥散 分别。 4 结论 1 R H L F 双联工艺试样裂纹源大部分在基体 内部，临界夹杂物尺寸1 1 ．3 5 斗m ，L F 单联工艺试样裂 纹源大部分于基体亚表面，临界夹杂物尺寸2 0 ．4 8 p , m O 2 裂纹源处存在的最大夹杂物尺寸与疲劳寿命 呈现明显的反相关关系，对于疲劳寿命高于1 5 0 万次 的试样中不存在大尺寸夹杂物，最大夹杂物尺寸在1 5 斗m 以内；对于疲劳寿命低于5 0 万次的试样中，均存 在尺寸超过3 0 肌的大尺寸夹杂物。 3 存在临界夹杂物尺寸，当夹杂物尺寸大于临界 夹杂物尺寸时，疲劳裂纹均起源于夹杂物处，且随着夹 杂物平均尺寸的增大，疲劳寿命明显降低。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] 陆江天，齐慧文．G B l l 5 5 2 1 9 9 9 汽车内部凸出物 [ M ] ．北京 中国标准出版社，1 9 9 9 ． 王弘，高庆．4 0 C r 钢超高周疲劳性能及疲劳断口分析[ j ] ． 中国铁道科学，2 0 0 3 ，2 4 6 9 3 9 8 ． 李永德，柳洋波．汽车用高强度弹簧钢5 0 C r V 4 的超高周疲劳性 能的研究[ J ] ．实验室研究与探索，2 0 0 7 ，2 6 1 0 1 9 7 - 2 0 2 ． 裴斐，成小军．不同冶金工艺深冲钢板的显微组织与力学性能 对比[ J ] ．机械工程材料，2 0 1 0 ，3 4 6 3 7 - 4 2 ． 李守新．高强度钢超高周疲劳性能非金属夹杂物的影响 [ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 1 0 ． 惠卫军，聂义宏．C r - M o V 系高强度钢的疲劳断裂行为[ J ] ．材料 热处理学报，2 0 0 7 ，2 8 5 3 7 4 1 ． 周承恩，洪友士．G C C r l 5 钢超高周疲劳行为的实验研究[ J ] ．机 械强度，2 0 0 4 ，2 6 S 1 5 7 1 6 0 ． B a t h i a sC ．T h e r ei sn oI n f i n i t eF a t i g u eL i f ei 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