齿轮作为机车车辆、机械动力传动系统中的关键核心零件，在运转过程中须承受冲击、弯曲、扭转、接触等复杂载荷作用。如何提高齿轮的抗疲劳性能一直都是行业关注的重点，大量的研究表明，控制和降低齿轮钢中的非金属夹杂物是提高齿轮抗疲劳性能的有效途径之一。

      钢铁在冶炼过程中会产生非金属夹杂物，张晔宁等研究表明非金属夹杂物的存在使钢材力学性能、物理性能、化学性能及工艺性能下降。在钢材疲劳性能方面，非金属夹杂物导致钢材疲劳性能变差的主要原因为：(1)钢的应力不会随着夹杂物而进行传递，应力会出现在夹杂物的周围，然后产生裂纹，非金属夹杂物成为整个应力的核心；（2）非金属夹杂物的变形程度没有钢的变形程度高，所以对钢进行加工处理时，会逐渐在钢和非金属夹杂物接触处出现裂纹。研究人员在分析研究钢材断口时发现，因为抗疲劳性被破坏而出现断裂的地方，存在一定的非金属夹杂物，这些非金属夹杂物表现为粗大脆性或者呈现点状分布且没有发生变形。由此可知，钢的疲劳强度受到非金属夹杂物数量的影响，当非金属夹杂物数量逐渐增多时，钢的疲劳强度会逐渐降低。非金属夹杂物对钢材疲劳性能影响也与其大小有关：体积较大的非金属夹杂物所产生的影响更为严重；非金属夹杂物的体积大小所带来的影响要比非金属夹杂物的含量多少要大许多。

    目前，针对齿轮钢中的非金属夹杂物，研究的重点在冶炼过程的控制上，包括如何识别和控制非金属夹杂物的形成和发展，炉渣对其的影响以及如何优化冶炼工艺，但是，对于成品齿轮钢材的非金属夹杂物控制水平的评估研究相对较少。常用检测方法为GB/T 10561标准评级图显微检验法对齿轮钢中夹杂物进行评价，新的检测方法GB/T 40281极值分析法应用相对较少。本文将两种测定方法进行对比，研究两种检测方法的准确性。同时尝试将非金属夹杂物检测结果与齿轮钢的疲劳极限相关联，在实施齿轮钢疲劳试验受限时，可用非金属夹杂物检测结果来初步确定齿轮钢的疲劳极限。

2 齿轮钢锻坯旋转弯曲疲劳试验

     为了对比3个齿轮钢锻坯的疲劳性能，并尝试将齿轮钢锻坯疲劳性能与第一部分两种非金属夹杂物检测方法建立起联系，分别在1＃、2＃、3＃齿轮钢锻坯1/2半径（R）处各制取45根标准圆柱试样，取样位置如图2所示。

     试验用试样经过相同加工工艺、渗碳淬火热处理工艺，有效硬化层深度为1.75mm，加工完成后，通过旋转弯曲疲劳试验机进行试验，采用的标准为GB/T 4337—2008《金属材料疲劳试验旋转弯曲方法》，试样尺寸如图3所示，获得室温下被测材料的疲劳-寿命曲线（S-N曲线）和被测材料的基础疲劳强度值，随后切取疲劳试样断口，对疲劳断口进行失效模式分析与裂纹溯源。观察断口微观形貌，分析旋转弯曲疲劳试样失效形式，并对观察到的夹杂物大小进行分析。

     将试样放置在主轴转速为3000～6000r/min、频率为50～100Hz悬臂式旋转弯曲疲劳试验台上进行试验，当试样失效或达到规定的循环次数1×10⁷次时，试验结束。根据试验测得的应力值及其对应的循环次数，绘制出疲劳-寿命曲线（S-N曲线）及确定疲劳强度极限值。试验过程中，试样应力分布如图4所示。

     根据试验结果绘制出的疲劳-寿命曲线（S-N曲线），图5为1＃齿轮钢锻坯的疲劳-寿命曲线（S-N 曲线），当循环次数为1×10⁷次时，疲劳强度值约为780MPa；当循环次数为3×10⁶次时，疲劳强度值约为840MPa；对极限试件的疲劳寿命变化进行计算，计算出99%可靠性的3×10⁶次循环的疲劳极限值在700～720MPa。1＃、2＃、3＃齿轮钢锻坯旋转弯曲疲劳强度如表5所示。

    对1＃齿轮钢锻坯失效试样的断裂面进行断口分析，试样均为疲劳断裂，裂纹源多为自加工表面和非金属夹杂物。对断裂表面进行扫描电镜分析，显微图片如图6所示。测量显微图片中断口处非金属夹杂物尺寸，大小约为63～64μm，夹杂物类型为硫化物，该数值与1.4节中用极值分析法评价出的1＃齿轮钢锻坯中的最大预测尺寸67.47μm接近。

     旋转弯曲疲劳试验结果1＃、2＃、3＃齿轮钢锻坯的99%可靠度疲劳强度3 ×10⁶次循环的疲劳极限值分别为701MPa、1011MPa、1070MPa；试验结果表明1＃、2＃、3＃齿轮钢锻坯的疲劳强度呈上升趋势；该趋势与用极值分析法评价出的1＃、2＃、3＃齿轮钢锻坯中非金属夹杂物最大预测尺寸呈递减的趋势相对应，即钢材中非金属夹杂物尺寸越小，其疲劳强度越高；同时对1＃齿轮钢锻坯疲劳强度试验试样断口分析时发现，断口处非金属夹杂物大小约为63.3μm，该数值与1.4节中用极值分析法评价出的1＃齿轮钢锻坯中的最大预测尺寸67.47μm 接近，这也说明了极值分析法评价钢中非金属夹杂物的准确性。