在超清洁100Cr6轴承钢中，由包容性缺陷和微观结构引起的疲劳失效之间的竞争

研究真空熔炼制备的超纯净100Cr6轴承钢疲劳行为，对比传统淬火回火（QT）与梯度淬火回火（GQT），发现GQT通过晶粒细化使疲劳强度提升至1160 MPa，裂纹起源临界尺寸分别为10.5 μm（复杂夹杂物）、6.1 μm（TiN）和6.8 μm（先共析晶界），建立基于极值统计的疲劳寿命预测模型。

　　

郑王|冯晨|史涛|周群|陈雨辉|胡斌|罗海文

北京科技大学钢铁冶金系，中国北京100083

摘要

本研究探讨了通过真空感应熔炼和真空电弧重熔制备的超洁净100Cr6轴承钢的疲劳行为，以阐明夹杂物和微观结构之间的竞争作用。对经过常规淬火回火（QT）和梯度淬火回火（GQT）处理的样品进行了旋转弯曲疲劳试验。在QT样品中，疲劳裂纹既起源于微观缺陷也起源于夹杂物，其中由微观结构引起的失效占主导地位。经过QT处理后，这种超洁净钢的疲劳强度达到了前所未有的1108 MPa，而经过GQT处理后由于晶粒细化进一步提高了疲劳强度至1160 MPa，这抑制了由微观结构引起的裂纹。确定了临界裂纹起始尺寸：复杂夹杂物为10.5 μm，TiN为6.1 μm，以及轴承钢中的原始奥氏体晶粒为6.8 μm。通过建立这三种失效机制之间的过渡边界，并结合极值统计方法估算的最大裂纹源尺寸，成功预测了QT、GQT以及之前报道的低洁净度QT-电弧炉轴承钢中的主要裂纹起始源。此外，还开发了一个疲劳寿命预测模型，能够准确捕捉不同洁净度和微观结构特征的钢材的疲劳行为。这些发现为通过控制炼钢过程中的夹杂物以及通过热处理调整微观结构来优化超洁净轴承钢提供了新的见解。

引言

作为应用最广泛的轴承钢，100Cr6钢一直在不断优化以提高其疲劳寿命[1,2]。其生产方法主要有三种：(i) 高效率工业路线：采用电弧炉（EAF）或碱性氧气炉（BOF）冶炼，然后通过钢包炉（LF）精炼、鲁尔钢铁-赫拉乌斯（RH）真空处理或真空脱气（VD），最后进行连续铸造[3]；(ii) 中等效率路线：先进行真空感应熔炼（VIM），再通过电渣重熔（ESR），有效去除大尺寸夹杂物[4]；(iii) 低效率高纯度路线：VIM后进行真空电弧重熔（VAR），也称为双真空工艺，该方法用于最小化夹杂物及其他杂质的数量和尺寸，从而生产出洁净度最高的轴承钢[5]。

夹杂物的组成、形态和大小会恶化轴承钢的疲劳性能[[6], [7], [8], [9]]。例如，郑等人[10]报告称，通过VIM + ESR生产的100Cr6钢比通过BOF + LF + RH路线生产的钢材具有更好的疲劳性能，这是因为其夹杂物尺寸更小。最近，张等人[11]通过添加微量稀土元素使夹杂物塑性化，使100Cr6钢的疲劳强度达到了创纪录的1103 MPa。尽管这些改进提高了洁净度并减少了夹杂物的不利影响，但疲劳寿命的进一步提升仍受到限制，因为轴承钢的疲劳失效还受到微观结构的影响[[12], [13], [14], [15], [16]]。实际上，疲劳裂纹不仅可能起源于非金属夹杂物，也可能起源于微观缺陷[17]。村上等人[18]使用电子束重熔法制备了夹杂物含量极低的钢材，并首次观察到源自钢基体的罕见失效现象。张等人[19]发现裂纹起始区域富含碳，形成了可能成为裂纹起始点的微观不均匀性。史等人[13]报告了在高氮马氏体轴承钢中，裂纹起源于孪晶马氏体区域。

然而，关于高强度轴承钢中由微观结构引起的疲劳失效的研究有限。这主要是因为这类钢材的疲劳性能对夹杂物非常敏感，而常用的工业高效熔炼方法往往无法将夹杂物尺寸降低到能够防止疲劳失效的临界阈值以下[20]。在通过双真空熔炼制备的超洁净轴承钢中，大尺寸夹杂物的数量和尺寸显著减少，从而降低了由夹杂物引起的疲劳失效的风险。这就提出了一个重要但尚未探索的问题：在超洁净轴承钢中，由微观结构引起的疲劳失效是否变得更加关键？此外，尽管已知晶粒细化可以提高疲劳抗力[21]，但在超洁净条件下，尚不清楚是细小夹杂物还是细化晶粒更主导失效过程。最后，尽管微观结构和夹杂物引起的失效之间的过渡边界对于进一步提高轴承钢的疲劳寿命至关重要，但目前尚未明确界定。

因此，在本研究中，对超洁净100Cr6轴承钢进行了高循环旋转弯曲疲劳（RBF）试验，以研究夹杂物和微观结构在疲劳失效中的竞争作用，并明确了不同洁净度和微观细化程度下的疲劳失效模式之间的过渡边界。此外，还利用极值统计（SEV）方法成功预测了整体钢材中的主要裂纹起始方式。

材料

100Cr6轴承钢是通过双真空熔炼制备的，具有超高的洁净度（表1）。所有样品均经过球化退火处理，随后分别进行单次淬火回火（QT）或梯度淬火回火（GQT）循环，最后在170 °C下回火4小时（详见补充材料中的图S1）。作为对比，我们之前使用EAF-VD工艺制备的低洁净度100Cr6钢也经过了热处理

夹杂物和微观结构

对QT样品的ASPEX分析识别出三种类型的夹杂物：长条状MnS、角状TiN和球形硫化物-氧化物复合夹杂物（图1(a1–a3)），其尺寸分布总结在图1(c)中。MnS夹杂物的数量密度最高，TiN夹杂物虽然较少但分布更均匀，且大于5 μm的TiN夹杂物比相同大小的MnS和复合夹杂物更为常见，表明其疲劳影响更大。所有夹杂物的尺寸均小于10 μm，这一点值得注意

关于夹杂物引起的局部应力场的有限元（FE）模拟

利用Abaqus进行了FE模拟，分析了夹杂物周围的局部等效应力场，以阐明复合夹杂物和TiN夹杂物的不同断裂机制。复合夹杂物由于周围硫化物壳层的包裹不足而从基体上脱落（图5(a)）。根据实验观察和Scheil凝固模型的计算结果，硫化物壳层的厚度通常约为2 μm[22]。

结论

通过对超洁净100Cr6轴承钢进行RBF试验，得出以下结论：

• (1)
  对于通过VIM-VAR生产的QT钢，当施加应力超过1283 MPa时，会导致快速的表面裂纹形成。在较低应力下，裂纹要么起源于微观缺陷（如马氏体晶粒交点和PAG边界），要么起源于夹杂物（如TiN和硫化物-氧化物复合体），前者约占失效的65%，后者约占35%。

作者贡献声明

郑王：撰写初稿、可视化处理、验证、软件应用、方法设计、实验研究、数据分析。 冯晨：方法设计、数据分析。 史涛：数据分析。 周群：数据分析。 陈雨辉：数据分析。 胡斌：项目指导、方法设计、实验研究、概念构思。 罗海文：撰写修订、可视化处理、验证、项目指导、实验研究、资金筹集、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

罗海文衷心感谢云南省重点研发计划-材料基因组项目（项目编号202403AA080013）、国家自然科学基金（项目编号52233018和51831002）以及中国宝武低碳冶金创新基金（项目编号BWLCF202213）的持续财务支持。