542 工程科学学报，第43卷，第4期 但总氧质量分数小于0.0010%时，本文实验条件 口数量超过50个，并在疲劳断口上观察到了氧化物 下齿轮钢中最大夹杂物尺寸变化不大，因此，在总 夹杂，如图8所示为总氧质量分数为0.0005%的实验 氧含量控制到一定水平后，齿轮钢应更关注如何 钢疲劳试样断口上的两类典型氧化物夹杂，其 进一步降低夹杂物尺寸. 中图8(a)为Ca0-Al2O3系氧化物夹杂，图8(b)为 3.32疲劳断口分析钢中大尺寸夹杂物 MgO-Al203系氧化物夹杂，其尺寸达到51um,两种 疲劳试验总共完成约80个疲劳试样的检验，每 类型氧化物夹杂在各总氧含量实验钢中都存在，这与 种实验钢至少获得15个疲劳失效断口，总共观察断 金相试样下扫描得到的夹杂物成分结果一致. (a) Al Ca Fe 50m 2 68 10 1214 Energy/keV (b) 0 Mg 100m Mn Fe 2 345 67 Energy/keV 图8疲劳断口上典型夹杂物及其能谱.(a)CaO-Al,03:(b)MgO-Al203 Fig.8 Typical inclusions of fatigue fracture and their EDS:(a)CaO-AlO:(b)MgO-Al,O; 经统计分析，可得到断口上各实验钢最大夹 小的趋势，并且在总氧质量分数高于0.0010%时， 杂物尺寸（图9），在图中同时将极值法预测的各实 最大夹杂物尺寸减小明显，而在总氧质量分数小 验钢最大夹杂物尺寸列出.从图中可以看出，各实 于0.0010%时，最大夹杂物尺寸变化不大，本文实 验钢中断口上发现的最大夹杂物在50~65m 验条件下总氧对齿轮钢中氧化物夹杂的影响体现 范围，低于极值法预测值约10~15um,这与疲劳 在不同总氧含量范围其影响效果不同 断口检测样本量有关，当样本量进一步增加时，有 4结论 望与极值法获得数据趋于一致.同时可以看出，最 大夹杂物尺寸随总氧含量的降低基本呈现逐渐减 (1)本文实验条件下，实验钢中主要有三种类型 非金属夹杂物，分别为氧化物夹杂、硫化物夹杂以 80 及两者的复合型夹杂物，其中氧化物夹杂主要为 级Fatigue fracture Extreme value method Al203或高Al2O3含量的Mg0-Al203、Ca0-Al2O3 且70 色 (-MgO)系复合夹杂物 (2)随总氧含量的降低，钢中氧化物夹杂数量 60 密度减小，减小最明显为5~10m范围的小尺寸 夹杂物，而大尺寸氧化物夹杂数量变化相对较小， 50 在金相下观察不明显 104 0 (3)利用极值法预测和疲劳断口夹杂物分析， 0.0005 0.0010 0.0013 Mass fraction of total O/% 总氧质量分数为0.0013%的实验钢最大夹杂物尺 图9总氧含量对钢中最大夹杂物尺寸的影响 寸最大，比总氧质量分数为0.0010%、0.0005%实 Fig Effect of total oxygen content on the size of the largest inclusions 验钢最大夹杂物尺寸高10m以上，而总氧质量 in steels 分数分别为0.0010%和0.0005%的两种实验钢最但总氧质量分数小于 0.0010% 时，本文实验条件 下齿轮钢中最大夹杂物尺寸变化不大，因此，在总 氧含量控制到一定水平后，齿轮钢应更关注如何 进一步降低夹杂物尺寸. 3.3.2    疲劳断口分析钢中大尺寸夹杂物 疲劳试验总共完成约 80 个疲劳试样的检验，每 种实验钢至少获得 15 个疲劳失效断口，总共观察断 口数量超过 50 个，并在疲劳断口上观察到了氧化物 夹杂，如图 8 所示为总氧质量分数为 0.0005% 的实验 钢疲劳试样断口上的两类典型氧化物夹杂 ，其 中图 8（a）为 CaO–Al2O3 系氧化物夹杂，图 8（b）为 MgO–Al2O3 系氧化物夹杂，其尺寸达到 51 μm，两种 类型氧化物夹杂在各总氧含量实验钢中都存在，这与 金相试样下扫描得到的夹杂物成分结果一致. 2 S Al Ca Fe Fe Mn 4 6 8 10 12 14 Intensity Energy/keV 1 Al O Mg Mn Fe 2 3 4 5 6 7 Intensity Energy/keV 50 μm 100 μm (a) (b) 图 8    疲劳断口上典型夹杂物及其能谱. （a）CaO–Al2O3；（b）MgO–Al2O3 Fig.8    Typical inclusions of fatigue fracture and their EDS: (a) CaO–Al2O3；(b) MgO–Al2O3 经统计分析，可得到断口上各实验钢最大夹 杂物尺寸（图 9），在图中同时将极值法预测的各实 验钢最大夹杂物尺寸列出. 从图中可以看出，各实 验钢中断口上发现的最大夹杂物在 50～65 μm 范围，低于极值法预测值约 10～15 μm，这与疲劳 断口检测样本量有关，当样本量进一步增加时，有 望与极值法获得数据趋于一致. 同时可以看出，最 大夹杂物尺寸随总氧含量的降低基本呈现逐渐减 小的趋势，并且在总氧质量分数高于 0.0010% 时， 最大夹杂物尺寸减小明显，而在总氧质量分数小 于 0.0010% 时，最大夹杂物尺寸变化不大，本文实 验条件下总氧对齿轮钢中氧化物夹杂的影响体现 在不同总氧含量范围其影响效果不同. 4    结论 （1）本文实验条件下，实验钢中主要有三种类型 非金属夹杂物，分别为氧化物夹杂、硫化物夹杂以 及两者的复合型夹杂物，其中氧化物夹杂主要为 Al2O3 或高 Al2O3 含量的 MgO–Al2O3、CaO–Al2O3 (–MgO) 系复合夹杂物. （2）随总氧含量的降低，钢中氧化物夹杂数量 密度减小，减小最明显为 5～10 μm 范围的小尺寸 夹杂物，而大尺寸氧化物夹杂数量变化相对较小， 在金相下观察不明显. （3）利用极值法预测和疲劳断口夹杂物分析， 总氧质量分数为 0.0013% 的实验钢最大夹杂物尺 寸最大，比总氧质量分数为 0.0010%、0.0005% 实 验钢最大夹杂物尺寸高 10 μm 以上，而总氧质量 分数分别为 0.0010% 和 0.0005% 的两种实验钢最 0.0005 Fatigue fracture Extreme value method 0.0010 0.0013 0 50 10 80 70 60 Size of inclusions/μm Mass fraction of total O/% 图 9    总氧含量对钢中最大夹杂物尺寸的影响 Fig.9    Effect of total oxygen content on the size of the largest inclusions in steels · 542 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期