張小伍 馬新博 王麗艷 田 宇 李海霞

(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江150046)

近些年來，國內(nèi)外對QT400球墨鑄鐵進行了大量的試驗研究工作。分別從球墨鑄鐵的合金元素的添加[1]、材料微觀結(jié)構(gòu)[2]和熱處理工藝[3]等方面對其性能的影響進行深入研究，并且對常溫下QT400球墨鑄鐵的疲勞裂紋擴展[4]、斷裂機理[5]等方面也進行了大量的試驗研究。但高溫條件下QT400球墨鑄鐵的強度和疲勞性能還有待于進一步的研究和討論。本文通過進行QT400球墨鑄鐵400℃以下不同溫度的拉伸試驗和300℃下不同應(yīng)變幅值的低周疲勞試驗，深入研究QT400球墨鑄鐵的疲勞性能。

1 試驗方法

試驗所用材料為國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的QT400-18球墨鑄鐵，符合國家標準GBT 1348—2009球墨鑄鐵件中的各項要求。按照國家標準GBT 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗：第1部分：室溫試驗方法》和GBT 15248—2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗方法》要求加工拉伸試樣和低周疲勞試樣，在MTS810-25t電液伺服材料試驗機上進行不同溫度下的拉伸試驗和低周疲勞試驗，使用SEM掃描電鏡觀察拉伸斷口處石墨顆粒的特征和基體的變形。試驗機最大動態(tài)載荷250 kN，應(yīng)變控制范圍-10%～+30%，試驗溫度20～400℃。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同溫度下QT400球墨鑄鐵的拉伸性能

本文對QT400進行了20℃至400℃下不同溫度的拉伸試驗。結(jié)果表明，當試驗溫度升高時，QT400的強度和塑性降低。同時，在ε≤0.1%的范圍內(nèi)，100℃至300℃區(qū)間QT400力學(xué)性能穩(wěn)定，如圖1所示。

圖1 QT400在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線Figure 1 Stress-strain curves of QT400 at different temperatures

QT400中石墨的形態(tài)為球形，拉伸的過程中，斷口處石墨球沿拉伸軸向發(fā)生變形、破碎，其變形量隨QT400塑性降低而減小，如圖2所示。圖2(a)為100℃下拉伸斷口剖面的SEM圖像，斷口處的球狀石墨明顯地沿拉伸方向軸向變形、拉長，在非斷口區(qū)域石墨變形量較小。當試驗溫度升至300℃時，如圖2(b)所示，球形石墨沿軸向的變形量減小。當試驗溫度升至400℃時，球形石墨無變形特征，如圖2(c)所示，此時QT400的斷后伸長率和斷面收縮率分別從100℃時的21%、24%下降到400℃時的12.4%、11%。

(a)100℃ (b)300℃ (c)400℃圖2 QT400不同溫度拉伸試驗斷口微觀SEM圖像Figure 2 SEM images of tensile test fracture of QT400 at different temperatures

(a)100℃ (b)300℃ (c)400℃圖3 QT400不同溫度拉伸試驗斷口形貌SEM圖像Figure 3 SEM images of tensile test fracture of QT400 at different temperatures

圖4 300℃下QT400靜態(tài)和循環(huán)應(yīng)力曲線Figure 4 Static and cyclic stress curves of QT400 at 300℃

圖3為QT400不同溫度拉伸試驗的斷口形貌SEM圖像。如圖3所示，在拉伸的過程中由于石墨球和基體發(fā)生脫離或是基體局部變形，在石墨球周圍形成顯微空洞，進而發(fā)展成裂紋，形成撕裂棱。試驗溫度為100℃時，斷口處存在少量韌窩，球形石墨發(fā)生變形、破碎。當試驗溫度升高，QT400塑性降低，斷口出現(xiàn)準解理斷裂的脆性斷裂特征，斷口處存在撕裂棱，球形石墨變形量較小，且大量石墨顆粒保存了完整的球形。

2.2 在300℃下QT400球墨鑄鐵的疲勞性能

QT400作為汽缸材料的設(shè)計溫度在-10℃至300℃之間。因此，本文進行300℃下不同應(yīng)變量的疲勞試驗，試驗控制方式為應(yīng)變控制。QT400靜態(tài)拉伸曲線與循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，由圖4可知，QT400在本試驗的應(yīng)變范圍內(nèi)具有明顯的循環(huán)硬化特征。

QT400在不同應(yīng)變幅值下的循環(huán)周次-應(yīng)力幅值曲線如圖5(a)所示。試驗結(jié)果表明，在不同低應(yīng)變幅值下，QT400循環(huán)初期就開始發(fā)生循環(huán)硬化，當應(yīng)變幅Δεt2<0.3%時，循環(huán)后期材料出現(xiàn)持續(xù)硬化現(xiàn)象，直至發(fā)生斷裂。但Δεt2=0.35%時，循環(huán)壽命周期略高于Δεt2=0.3%時的應(yīng)力幅值疲勞試驗的壽命周期值，如圖5所示。

(a)(b)圖5 QT400在300℃下不同應(yīng)變幅值的低周疲勞試驗結(jié)果曲線Figure 5 Low cycle fatigue test curves of QT400 withdifferent strain amplitudes at 300℃

表1為QT400在300℃下的低周疲勞試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)表1數(shù)據(jù)取雙對數(shù)坐標繪制QT400 Δεt2-2Nf曲線，如圖6所示。

表1 300℃下QT400低周疲勞數(shù)據(jù)Table 1 Low cycle fatigue data of QT400 at 300℃

(a)

(b)圖6 QT400低周疲勞數(shù)據(jù)擬合Figure 6 Low cycle fatigue data fitting of QT400

由Ramberg-Osgood方程和Manson-Coffin方程得到QT400的應(yīng)變疲勞參數(shù)，并得到QT400的應(yīng)變-疲勞壽命方程式為：

材料的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為：

從材料的Δε2-2Nf曲線可以得到材料的疲勞過渡壽命2Nf=1446周，即NT=723周，疲勞過渡壽命是低周疲勞性能的關(guān)鍵指標之一，它主要取決于材料的強度和塑性，對疲勞設(shè)計有很大意義。QT400的疲勞過渡壽命在Δε2-2Nf曲線左側(cè)，如圖6(a)所示，在2NT點的左側(cè)主要以塑性變形為主，QT400疲勞強度的決定因素為材料的塑性；QT400在2NT點的右側(cè)區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變幅下具有較高的疲勞壽命。圖6(b)為QT400低周疲勞的σ2和Δεp2擬合曲線。

3 結(jié)論

(1)QT400隨溫度升高塑性降低，100℃時存在韌窩韌性斷裂特征，400℃時存在準解理脆性斷裂特征，球形石墨的形態(tài)隨塑性的變化而變化。

(2)QT400具有循環(huán)硬化特征，在應(yīng)變控制下的疲勞試驗中，隨循環(huán)次數(shù)增加，應(yīng)力幅升高，當N=10周時可達到飽和循環(huán)階段。當Δεt2<0.3%時，循環(huán)后期存在持續(xù)硬化現(xiàn)象，直至材料最終斷裂。

(3)QT400的低周疲勞應(yīng)變與壽命關(guān)系曲線為：

循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為：

(4)QT400球墨鑄鐵的疲勞過渡壽命NT為723周。