钢的清洁和为什么测量很重要

高负荷组件受益于清洁钢材,但从钢材加工到最终质量,需要超越传统方法的仔细测量,才能实现高水平的材料性能。

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在过去,周期性加载的齿轮箱部件经常会因为大量的氧化物夹杂而导致疲劳失效。炼钢工艺的逐步改进导致了氧化物浓度的降低和相应的失效模式的改变。因此,常见的故障更多的是由于组件的设计和制造(例如,表面光洁度)。随着应用性能的进一步发展,组件制造的改进导致了优异的表面光洁度和更一致的热处理性能。

今天,对机械动力传输系统的需求导致了对“功率密集”设计的日益强调,重点是通过更小的系统组件获得更高的功率吞吐量。这一趋势转化为每个组件内部更高的应力。在这些更高的应力作用下,那些表面光洁度得到改善的升级组件(以前只能带来适度的性能改善),现在又出现了发生在内部材料缺陷处的亚表面疲劳引发失效增加的情况。这些主要是非金属夹杂物,在大多数负载条件下,主要是大型氧化物夹杂物。

这些高负荷组件受益于更清洁的钢的合并。制造非常干净的(空气熔体)钢需要精确控制炼钢过程,以持续生产性能最高的功率密度组件。而过程控制所需水平的关键是测量。

也就是说,仅仅对钢材加工和最终质量进行不加区分、不系统的测量是不够的。度量原则的一个关键但有时被忽视的方面是需要对正在考虑的度量有一个基本的理解;换句话说,要知道实际测量的是材料的什么属性,如何测量,以及这个属性是否与期望的性能特性相关。

一个典型的例子是总氧含量,这是整个钢铁工业用来表示钢铁清洁度的常用指标。作为一种清洁度量,总氧含量往往不能反映钢的性能,特别是在循环接触加载应用,如与轴承或齿轮。在这些情况下,宏观氧化物或弦是疲劳失效中突出的夹杂物类型。这是很明显的比较轴承寿命和测量的总氧在相应的轴承钢,如图1[4]。

图1:轴承疲劳寿命作为测量的钢的总氧含量的函数。

这种明显不一致的原因,一旦对总氧测量和那些最影响预期性能特征的钢的清洁特性有了更深的了解,就会变得清晰。首先,在总氧测量中被询问的样本量是相当小的(通常质量约为1克)。由于样品体积小,在当今许多制造的洁净钢中,即使在一系列的总氧测试中,遇到宏氧化物(导致接触疲劳失效的罪魁祸首)的可能性也很低。结果表明,总氧度量被认为是一个更准确的浓度测量均匀分散的小氧化物夹杂物(那些对疲劳有一个微不足道的影响)。

由于这些大量的小氧化物的来源与大宏观氧化物的来源或成因不同,两者之间没有明显的相关性。这并不意味着总氧值和疲劳性能之间没有相关性。显然,(再次,参见图1)随着大型宏观氧化物浓度的增加,在小的总氧样品中检测到这些宏观氧化物的可能性很大。这反映在高的总氧值,并预示着较差的疲劳性能。因此,总氧测量可视为单侧试验;高数值表明疲劳性能差,但低数值并不能保证良好的性能。很重要的是,要充分了解总氧度量的这一方面。

高分辨率超声测试具有显著增加的询问体积,可以更好地检测宏观氧化物的数量,从而更好地预测疲劳性能,如图2所示。

图2:轴承疲劳寿命作为高分辨率超声测量检测到的宏观氧化物分布的函数。

与总氧气测量的总体相似的情况,其中许多其他常用的行业标准定义钢清洁度测量,如Girodin等人所述。[5],说明“常规方法对于包含额定值的常规方法不再足以评估电流轴承钢的微清洁性......”,因此,不太可能与材料性能相关联。Murakami [6]强调了这一点:“通过研究清洁度(按JIS和ASTM方法测量)和疲劳强度之间的相关性......但结果并不令人满意。”

今天对我们的这意味着在这些高负荷的部件中使用超清洁钢,仔细测量的重要性 - 无论是用于保证应用中高水平的材料性能的过程监控还是最终产品质量的决心 - 不能夸大。毕竟,人们无法控制人们无法(定量)的措施。

在接下来的“材料”栏目中,将更详细地讨论工业钢铁清洁标准的实用价值。

参考

  1. W.汤姆逊,《通俗讲座和演讲》,Vol. 1,“电学计量单位”,1883年5月3日。
  2. 《钢铁冶金》,科学出版公司,纽约,1890年。
  3. A.麦克莱恩,1988年豪纪念演讲;紊流中间包——污染物还是精炼器?,《炼钢会议论文集》,ISS-AIME, 1988,第3-23页。
  4. J. A. Eckel, P. C. gllaws, J. O. Wolfe和B. J. Zorc,“清洁工程钢——20世纪末的进步”,内部清洁度提高的钢的生产和使用进展,美国亚特兰大,1998年5月4日,ASTM,第1-11页。
  5. Girodin D., Dudragne G., Courbon J. and Vincent A.,“轴承钢滚动接触疲劳范围和质量控制的非金属夹杂的统计分析”,轴承钢技术,ASTM国际,STP 1465, (2007), pp. 85-100。
  6. 村上春树,金属疲劳:小缺陷和非金属夹杂物的影响,爱思唯尔科学出版社,2002年,第75-77页。