50年前,人們第一次認識到非金屬夾雜物是高強鋼疲勞裂紋的重要起源。為了提高高強鋼的疲勞性能,多年來,各國投入了巨大的人力、物力,不斷改進鋼鐵制造水平,利用二次精煉技術以及其他減少非金屬夾雜技術,已經極大地降低了夾雜物的尺寸與含量。但目前,在潔凈鋼中仍然含有較少的大夾雜與很多彌散的小夾雜,其中大夾雜的存在對鋼的疲勞壽命影響很可能是災難性的,而小夾雜是幾乎不可避免的。隨著鋼的強度級別進一步提高,夾雜對疲勞壽命的影響就越突出。因此我們首先需要面臨的一個問題是,夾雜到底如何影響高強鋼的疲勞行為，為此973計劃“提高鋼鐵質量和使用壽命的冶金學基礎研究”項目“長疲勞壽命機械制造用高強度鋼的研究”課題組在項目首席科學家翁宇慶的主持下,開展了零夾雜與商用42CrMo鋼的疲勞性能研究。所謂零夾雜,即通過特殊冶煉方法,盡量降低鋼中氧、硫等雜質元素含量,使鋼中的最大非金屬夾雜的尺寸小于1μm(通常商用鋼最大夾雜尺寸在幾十μm)。

   我們的研究采用了主要合金成分含量一致的兩種鋼:一種是商用42CrMo鋼(C242CrMo),其夾雜含量較多,尺寸較大;另一種是采用特殊工藝實驗室冶煉的零夾雜鋼(Z242CrMo),其夾雜含量少,且尺寸很小。兩種鋼都采用了相同的兩種熱處理制度。用超高頻(2萬Hz)疲勞試驗機對其進行了超長壽命(109周,通常是107周)疲勞試驗,以比較其疲勞行為。實驗表明兩種熱處理下的零夾雜鋼疲勞裂紋始終起源于試樣表面基體加工溝槽;而相應的兩種熱處理下的商業用鋼幾乎所有試樣的疲勞裂紋均起源于非金屬夾雜物。兩種熱處理零夾雜鋼(Z242CrMo)疲勞強度高于對應熱處理條件下的商用鋼(C242CrMo)(參看圖1)。低應力下,兩種零夾雜鋼在2×106周后不斷裂,而兩種商用鋼疲勞壽命分散在106—2×108周的廣闊范圍。這表明零夾雜鋼疲勞壽命可靠性明顯提高。

  我們面臨的第二個問題是,雖然零夾雜鋼比商用鋼疲勞強度有所提高,但并不如預期的大。因為根據Murakami的研究,疲勞強度應與最大夾雜尺寸的1/6成反比。由于商用鋼(C242CrMo)的最大夾雜約40μm,而零夾雜Z242CrMo鋼的最大夾雜在1μm左右,可以推斷零夾雜Z242CrMo鋼的疲勞強度應該是商用鋼的1.85倍。而試驗只有1.1倍左右,原因是什么呢?研究發現,原來夾雜有一個臨界尺寸問題。夾雜小于這個尺寸不易開裂,大于這個尺寸才有可能開裂。對于類似的鋼,我們曾經知道其臨界尺寸在10μm左右。這樣就可以知道為什么零夾雜鋼不從夾雜處而從表面機加工溝槽開裂,以及疲勞強度沒有預期提高那么大的原因。

  我們需要解決的第三個問題是,既然最大夾雜尺寸對疲勞性能有重要作用,那么,如何確定一定體積鋼中的最大夾雜尺寸呢?事實上,用目前標準的金相方法,評價夾雜的尺寸往往是明顯偏小的,而用疲勞試驗,根據斷口斷裂起源處夾雜的尺寸確定最大夾雜無疑是相當準確而且寶貴的,但又是非常費時與昂貴的。最近,我們應用統計極值理論已經可以比較準確方便地確定不同體積鋼中的最大夾雜尺寸[3],雖然還存在不少問題,但這確實是今后潔凈高強鋼夾雜統計分析的研究方向。

  目前,我們需要進一步解決的問題有:臨界夾雜尺寸到底與什么冶金因素和載荷條件有關?機械構件表面加工質量與其內部夾雜尺寸對疲勞性能影響是如何競爭的和夾雜改性與經濟潔凈度問題等。這些工作正在開展中。我們還將關注工業生產中的經濟潔凈度的研究,使最大夾雜尺寸控制在臨界夾雜尺寸以下,而不必追求零夾雜鋼的1μm以下,這樣就可能既適當提高疲勞強度,又可以顯著改善疲勞壽命可靠性,同時,工業生產成本又可以接受,達到提高高強鋼使用壽命的最終目的。