摘 要：QT700球墨鑄鐵被大量應用于汽車曲軸、連桿、凸輪軸、氣缸套等零件。文章采用QT700球墨鑄鐵表面光滑的棒材試樣為研究對象，通過軸向不同應變幅控制的低周疲勞試驗，研究了QT700球墨鑄鐵材料在室溫條件下的低周疲勞行為，包括拉伸應力-應變、循環(huán)應力-應變、應變疲勞壽命特點，給出了相應的疲勞參數。試驗結果表明，QT700在0.3%-0.7%應變幅值循環(huán)作用下出現循環(huán)硬化效應。利用數據處理軟件，參照GB/T 15248-2008附錄A函數關系式，在雙對數坐標系下擬合出了應變-壽命曲線。

關鍵詞：QT700球墨鑄鐵；低周疲勞；循環(huán)硬化；疲勞壽命

前言

鑄鐵在汽車制造業(yè)應用很廣，據統(tǒng)計，汽車的鑄鐵用量占這車金屬重量的50%以上。其中QT700球墨鑄鐵被大量應用于載荷大、受力復雜的零件，如汽車曲軸、連桿、凸輪軸、氣缸套等[1]。隨著市場競爭的日趨激烈，產品的品質成了產品競爭的重點發(fā)展方向，其中產品的疲勞壽命在工程機械行業(yè)中備受關注。汽車主要零件和結構件的失效方式多數是疲勞，其中鑄鐵零件也不例外，因此鑄鐵的疲勞壽命分析對于汽車應用材料的選取、輕量化結構件材料的替代是至關重要的研究內容，產品的疲勞壽命已成為現代設計的一個重要指標。與傳統(tǒng)的動靜強度要求相比，現代設計需要了解了解產品的使用環(huán)境，應用現代疲勞理論，結合試驗驗證，從而確保所需要的疲勞壽命[2]。汽車零件在交變載荷作用下發(fā)生疲勞失效，對汽車壽命、安全系數有很大影響，因此研究鑄鐵材料在應變控制條件下的低周周疲勞性能，在汽車應用材料的選取，零件的性能優(yōu)化，結構件的疲勞壽命估算等方面具有重大意義。

文章為了獲取各種車型用QT700球墨鑄鐵零部件的材料性能參數，運用MTS電液伺服疲勞試驗設備以及MTS引伸計裝置通過控制應變的低周疲勞試驗研究了用于底盤的 QT700球墨鑄鐵的低周疲勞壽命關系，利用其配備的數據處理軟件，記錄下應力-應變、應變-壽命等數據，從而繪制出疲勞壽命預測曲線并計算出其疲勞參數。

1 試驗材料及方法

試驗采用用于汽車制造工業(yè)的QT700球墨鑄鐵，材料的化學成分和常規(guī)力學性能如表1和表2所示。

試驗通過對QT700球墨鑄鐵做靜態(tài)拉伸試驗及應變疲勞試驗，獲取材料的力學性能以及繪制出材料的低周疲勞壽命E-N曲線。低周疲勞試驗的試驗設備、試樣制備、試驗程序、試驗結果的處理參照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》和GB/T 26077-2010《金屬材料 疲勞試驗 軸向應變控制方法》的要求進行，其中試驗設備采用電液伺服疲勞試驗機，試樣尺寸參照標準棒材試樣制定，試樣均由高精度數控機床加工，表面再進行沿軸向打磨拋光等冷加工處理，試樣加工圖如圖1所示。

本次試驗在常溫、大氣環(huán)境下進行，利用量程為8mm的MTS軸向引伸計控制應變，按照拉壓對稱三角波進行試驗加載，軸向應變范圍為±0.3%-±0.7%，每個應變等級擬定4-8個樣件，以獲得四個有效數據為準，試樣斷口在引申計標距內視為有效數據。由于在高應變幅載荷下，試樣夾持時的微小對中誤差就會導致試樣發(fā)生扭轉變形，試驗前期及試驗過程一定要保證試樣與夾頭處在同一豎直直線上，此外，試驗的加載速率也會對試驗過程有直接影響，為了降低設備控制精度等微小影響，本試驗試驗的應變速率、應變幅值、試驗頻率按如下公式計算

循環(huán)波形為三角波，應變比R？著為-1，保持應變速率為0.08/s恒定，從而計算出各級應變水平對應的試驗頻率。

試驗過程中兩個波峰（波谷）出現差值時的數據要特別注意，需要進行數據處理，試驗過程中用溫度測試儀測試溫度，確保無較大溫差變化。疲勞壽命（Nf）以材料試驗的最大拉伸載荷相對于試驗穩(wěn)定周次的最大載荷下降30%為失效判據。

2 試驗方案設計

（1）MTS液壓伺服疲勞試驗機試驗前的熱機與調試，調節(jié)其控制系統(tǒng)的PID，從而達到穩(wěn)定精準的控制，降低液壓缸、液壓柱運動過程中的波動。

（2）試樣尺寸測量，利用千分尺及游標卡尺測量試樣的厚度、寬度、平行段長度，并進行標記記錄，用于計算伸長率、縮徑率等數據。

（3）引伸計安裝，采用量程8mm的引伸計，安裝于試樣上，標距在試樣平行段間，且保證引伸計處于試樣正中間，利用橡皮筋固定。

（4）試樣安裝前，利用其他標準樣件對設備進行對中試夾，保證上下夾持端處于同一水平面內，從而提高控制的精準度，減小試驗誤差。

（5）試樣安裝后，輸入試樣尺寸參數，首先進行幾次單向加載試驗，對比測定的彈性模量，看是否有較大誤差，以便能夠及時進行修正。

（6）設置引伸計保護、設備保護，選擇試驗過程中的控制方式，前期利用引伸計的監(jiān)測采用應變控制進行實驗，檢測到兩個波峰或波谷之間差值超限后，利用力傳感器采用力控制進行試驗，試驗完成后，首先要改變也是控制方式，注意要改成位移控制后拆卸試樣。

（7）試驗完成后，對試驗過程中記錄的試驗數據編號保存，試樣的裂口出現在標距內為成功試驗，其數據作為有效數據，打開數據處理軟件，提取保存的各個應變幅值的有效實驗數據擬合曲線。

3 試驗結果分析

試驗數據處理，利用數據處理軟件獲取試驗的應力-應變數據，工程應力、應變與真實應力、應變的轉換關系通過如下公式

根據彈性應變幅-失效反向數和塑性應變幅-失效反向數的擬合曲線得到應變幅-失效反向數曲線，即應變-壽命曲線，如圖5曲線所示。

由圖5不難看出，在不同循環(huán)應變加載情況下，隨著循環(huán)加載應變幅的提高，疲勞壽命逐漸降低，整個曲線成冪函數下降趨勢。

塑形應變的大小能夠反映材料耗能能力以及抗拉壓能力，而且塑形應變的大小能夠直接影響材料的疲勞壽命，球墨鑄鐵QT700在應變幅？著a？燮0.3%條件下，疲勞性能基本穩(wěn)定，塑形應變很微小，在應變幅？著a？叟0.4%條件下，塑形應變開始顯著提高，直接影縮短了材料的疲勞壽命。

利用數據處理軟件在雙對數坐標下對應力幅與塑性應變幅進行線性擬合得到lg（？駐？滓/2）-lg（？駐？著p/2）曲線，？駐？滓/2與？駐？著p/2關系為：

4 結束語

（1）根據GB/T 15248-2008附錄A函數關系式，得出QT700疲勞壽命關系式為：

（2）車用材料QT700在零件成型前進行合理的預拉伸變形，應

變控制在0.3%以下，不僅不會損壞材料的疲勞性能，反而能夠增強其使用的可靠性。

（3）材料應用于車身底盤時，可以通過控制應變范圍低于0.3%的拉伸、沖壓提高材料本身的疲勞性能，在同等強度情況下，球墨鑄鐵QT700可以逐步代替原來碳素鋼、合金鋼制造車身底盤零件，從而達到汽車輕量化的目標。

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作者簡介：郭偉壯（1990-），男，河北邯鄲，主要研究方向為車輛。

*通訊作者：崔國華