Impact of CaO-SiO2-Al2O3 Complex Inclusions on Mechanical Properties of GCr15SiMn Bearing Steel

Tang Chao; Huang Yufei; Qiao Xiya; Yang Xing; He Zhijun

doi:10.20057/j.1003-8620.N260010

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Impact of CaO-SiO₂-Al₂O₃ Complex Inclusions on Mechanical Properties of GCr15SiMn Bearing Steel

更新时间：2026-05-12

- Impact of CaO-SiO₂-Al₂O₃ Complex Inclusions on Mechanical Properties of GCr15SiMn Bearing Steel
- Special Steel Pages: 1-10(2026)
- 作者机构：
  
  1.辽宁科技大学材料与冶金学院，鞍山 114051
  2.辽宁省绿色低碳与智能冶金重点实验室，鞍山 114051
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.20057/j.1003-8620.N260010
  CLC： TF4
- Received：17 January 2026，
  
  Revised：2026-03-12，
  
  Accepted：13 March 2026，
  
  Online First：09 May 2026，
- 稿件说明：
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唐超,黄育飞,乔西亚等.GCr15SiMn轴承钢中复合夹杂物CaO-SiO₂-Al₂O₃对力学性能的影响[J].特殊钢,

Tang Chao,Huang Yufei,Qiao Xiya,et al.Impact of CaO-SiO₂-Al₂O₃ Complex Inclusions on Mechanical Properties of GCr15SiMn Bearing Steel[J].Special Steel,
唐超,黄育飞,乔西亚等.GCr15SiMn轴承钢中复合夹杂物CaO-SiO₂-Al₂O₃对力学性能的影响[J].特殊钢, DOI：.

Tang Chao,Huang Yufei,Qiao Xiya,et al.Impact of CaO-SiO₂-Al₂O₃ Complex Inclusions on Mechanical Properties of GCr15SiMn Bearing Steel[J].Special Steel, DOI：.

摘要

GCr15SiMn轴承钢作为高端制造领域关键部件的核心材料，其服役性能易受非金属夹杂物力学性能影响。本研究以GCr15SiMn轴承钢中CaO-SiO

-Al

复合夹杂物作为研究对象，结合X射线衍射、拉曼光谱及纳米压痕技术，系统探究

（CaO）/

（SiO

）对夹杂物物相组成、硅酸盐网络结构及微观力学性能的影响规律。结果表明，夹杂物初始形成过程为非晶态玻璃夹杂物，夹杂物的结晶度随着

（CaO）/

（SiO

）升高而显著增强，物相由低

（CaO）/

（SiO

）下的非晶态主导逐渐转变为高

（CaO）/

（SiO

）下CaSiO

、CaAl

及CaAl

等稳定结晶相。随着

（CaO）/

（SiO

）增加，硅酸盐网络发生明显解聚，中高聚合度单元占比下降，低聚合度单元占比上升，非桥氧相对含量持续增加；同时在力学性能方面，夹杂物硬度整体呈下降趋势，弹性模量持续升高至104.04 GPa，抗断裂性能参数H

从0.071 GPa降至0.052 GPa，能量耗散比W

从0.99增至1.2。低

（CaO）/

（SiO

）的夹杂物由于具有高聚合度致密网络结构，展现出更优的硬度与抗损伤能力，使得GCr15SiMn轴承钢也具有更优的硬度与抗损伤能力。

Abstract

The service performance of GCr15SiMn bearing steel， a core material for critical components in high-end manufacturing， is highly sensitive to the mechanical properties of non-metallic inclusions. This study investigates CaO-SiO

-Al

composite inclusions in GCr15SiMn steel and systematically examines the effect of the

（CaO）/

（SiO

） on their phase composition， silicate network structure， and micromechanical properties using X-ray diffraction， Raman spectroscopy， and nanoindentation. The results show that the inclusions initially form as amorphous glassy phases， and their crystallinity increases significantly with increasing

（CaO）/

（SiO

）. The phase composition evolves from an amorphous-dominated structure at low

（CaO）/

（SiO

） to stable crystalline phases such as CaSiO

， CaAl

， and CaAl

at high

（CaO）/

（SiO

）. With increasing

（CaO）/

（SiO

）， the silicate network undergoes pronounced depolymerization： the fraction of medium and high-polymerization units decreases， while that of low-polymerization units increases， accompanied by a continuous rise in non-bridging oxygen content. In terms of mechanical properties， the hardness of the inclusions generally decreases， whereas the elastic modulus increases steadily to 104.04 GPa. The fracture resistance parameter H

decreases from 0.071 GPa to 0.052 GPa， and the energy dissipation ratio W

increases from 0.99 to 1.2. Inclusions with

low

（CaO）/

（SiO

） possess a highly polymerized and dense network structure， endowing them with superior hardness and damage resistance， which contributes to enhanced overall hardness and damage tolerance of the GCr15SiMn bearing steel.

关键词

Keywords

references

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