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由于综合性能良好、生产工艺简单以及价格低廉等优点,高碳铬轴承钢广泛应用于精密机床、轨道交通、矿山机械等领域的轴承制造。鉴于轴承服役时严苛的工作条件和长寿命要求,高碳铬轴承钢的性能优化,尤其是其冶金质量的改善,一直是材料领域持续研究的重点方向。过去几十年间钢铁行业冶炼技术的进步显著改善了高碳铬轴承钢的冶金质量,钢液洁净度和非金属夹杂物得到了有效的优化控制,但持续提高的轴承疲劳寿命需求与轴承钢冶金质量提升遭遇瓶颈之间的矛盾也日趋突出。稀土元素理论上具有净化钢液、改善夹杂物和微合金化的作用,然而以往稀土处理的高碳铬轴承钢总会出现性能波动和水口结瘤的问题。考虑到稀土原材料中夹杂物对冶金质量的可能影响,研究高纯稀土金属在高洁净轴承钢中的作用,对于分析稀土在钢中的作用机理和研制长寿命稀土轴承钢具有重要的指导意义。针对轴承服役时可能的失效形式和轴承钢的质量要求,本文系统研究了高纯稀土金属对高碳铬轴承钢中夹杂物、组织、冲击韧性和疲劳性能的影响机制。论文的主要研究内容和结论包括:分析了不同稀土含量轴承钢中的夹杂物,讨论了稀土变质轴承钢中夹杂物的行为和夹杂物类型的演化序列。结果表明,稀土元素能够变质高碳铬轴承钢中的Al2O3和MnS夹杂物形成稀土夹杂物。在低S/O轴承钢中,稀土元素与夹杂物形成元素的反应序列依次为O、S、As、P和C。稀土夹杂物类型的演化序列主要为 RE2O3、RE2O2S、RES、RE-O-S-As、RE-S-As、RE-S-As-P、RE-O-S-As-P-C、RE-O-As-P-C、RE-O-P-C和RE-O-C。而在高S/O轴承钢中,微量稀土倾向于优先变质轴承钢中的MnS形成RE3S4。RE3S4既可以在冶炼过程中独立析出或以Al2O3为核心析出,也可以在凝固过程中与MnS共同在Al2O3基底上以RE3S4·yMnS(y<1)复杂夹杂物的形式形成。在夹杂物完全变质的条件下,高S/O轴承钢中稀土夹杂物类型的演化序列主要为RE2O3、RE2O2S、RES、RE-S-As、RE-As(-P)/RE-O-As(-P)、RE-P(-C)/RE-O-P(-C)和 RE-O-C。高 S/O 轴承钢中较高的砷和磷元素含量以及较低的氧含量增加了不含氧元素且类型简单的稀土夹杂物形成的可能性,导致了其与低S/O稀土轴承钢不同的夹杂物类型演化序列。系统研究了不同稀土含量轴承钢中的夹杂物、显微组织、晶粒尺寸和冲击性能,阐明了稀土对轴承钢冲击韧性的影响机制。实验结果表明,在常规的热处理工艺下,除过量稀土加入时形成大量的含碳稀土夹杂物导致碳化物体积分数和尺寸明显减小外,稀土不会对轴承钢中的相分数、碳化物尺寸和晶粒尺寸产生显著影响。适量稀土的添加能够变质长条状MnS及其复合夹杂物形成形貌规则且均匀分布的稀土夹杂物,进而显著改善轴承钢的冲击性能及其等向性。一定范围内稀土含量的增加能够增强含砷和磷元素的稀土夹杂物的形成能力,减弱有害元素的晶界偏聚,提高晶界强度;同时,夹杂物体积分数和尺寸呈增大的趋势,也可以促进冲击裂纹扩展路径的改变,两者均能提高轴承钢的横向和纵向冲击吸收功。然而,过量稀土的加入在轴承钢中形成大量的大尺寸稀土夹杂物,能够引起晶界裂纹并促进裂纹的扩展,严重恶化冲击性能。利用超声疲劳试验机对工业模铸轴承钢的超高周疲劳性能进行了研究,分析了稀土元素在轴承钢超高周疲劳失效中的作用机制。结果表明,稀土的添加能够减小夹杂物的尺寸和体积分数,从而使稀土轴承钢在109周次下的疲劳极限提高约9.4%,疲劳寿命延长10倍以上。稀土变质轴承钢中CaO-Al2O3-MgO-SiO2-CaS系夹杂物形成的复合稀土夹杂物具有较弱的内部结合力及其与基体的界面结合力,所以稀土轴承钢在夹杂物处具有较短的裂纹萌生寿命。然而,小尺寸稀土夹杂物能够产生较大的细晶区,使得稀土轴承钢的裂纹扩展寿命远高于无稀土轴承钢。探索了连铸轴承钢的横向和纵向超高周疲劳性能,揭示了不同形态夹杂物引发的裂纹萌生和扩展行为以及稀土元素的影响机制。研究结果表明,颗粒状夹杂物引发的超高周疲劳失效表现出自夹杂物颗粒起几乎各向同步的裂纹扩展,即时裂纹的长宽比保持接近于1。而在条带状夹杂物引发的超高周疲劳失效中,起始裂纹萌生于夹杂物条带较宽的区域,即时裂纹的宽度在裂纹扩展中具有重要的作用。随着裂纹的扩展,即时裂纹的长宽比持续减小直至其值接近于1或裂纹扩展到试样的边缘。在超高周疲劳范畴内,有效夹杂物区域和有效夹杂物尺寸可以从裂纹萌生和扩展的角度来确定。对于含细晶区的超高周疲劳断面,有效夹杂物区域对应包含在细晶区内的夹杂物区域。稀土变质轴承钢中的常规夹杂物形成的复合稀土夹杂物在热轧过程中易于变形来减小疲劳源处的有效夹杂物尺寸,因此,稀土的添加能够改善连铸轴承钢的疲劳性能,尤其是纵向疲劳性能。