含裂紋灰鑄鐵試件拉伸破壞的試驗研究

王 軻，唐 豪，李玉濤，曾雙峰，常巖軍，2，張克實(shí)，2

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧530004 2.廣西大學(xué) 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，廣西 南寧530004)

0 引 言

灰鑄鐵具有良好的鑄造性和切削性，具有較高的強(qiáng)度和剛度，而且價格低廉，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備，例如發(fā)動機(jī)機(jī)體、氣缸蓋、冷卻爐壁等?；诣T鐵含C、S、P 較多，強(qiáng)度低，塑性差。冶金工藝、服役環(huán)境是灰鑄鐵設(shè)備產(chǎn)生裂紋的主要原因，尤其是結(jié)構(gòu)的焊接部位更易出現(xiàn)裂紋。研究表明，鑄鐵是由內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展而產(chǎn)生破壞［1］。因此研究灰鑄鐵材料中裂紋的演化對于評估設(shè)備的整體壽命，確定合理的維修方案是非常必要的。

曹睿等［2］用SEM 原位拉伸試驗對不同缺口灰鑄鐵的斷裂過程做了分析，結(jié)果表明，鑄鐵的斷裂與缺口的形態(tài)有關(guān)，缺口引起局部集中，使起裂時的應(yīng)力低于無缺口試件。王利民等［3］對8 種不同缺口尺寸的鑄鐵梁進(jìn)行三點(diǎn)彎試驗，探尋缺口試件的斷裂規(guī)律與承載力，結(jié)果表明，缺口越深，鑄鐵梁柔性越大，曲線下降段較明顯，而淺缺口梁則得不到曲線的下降段。Downing 等［4］通過非等幅疲勞加載測量了灰鑄鐵試件的應(yīng)力/應(yīng)變響應(yīng)，Bertolinoa 等［5］進(jìn)行了不同切口半徑的非疲勞層狀灰鑄鐵試件的斷裂韌性測試和與厚度效應(yīng)的確定。任風(fēng)章等［6］對兩種不同變質(zhì)劑的不同組合比情形下灰鑄鐵的切削性能進(jìn)行了研究。李卓等［7］通過試驗和有限元方法對含單邊裂紋和雙邊平行裂紋的板形鑄鐵試件的裂紋擴(kuò)展和承載能力進(jìn)行了系統(tǒng)研究。張克實(shí)等［8］通過改變?nèi)笨阡X試件的厚度和缺口半徑，研究了應(yīng)力三維度對復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料破壞的影響。陳躍良等［9］對不共面的雙裂紋做了疲勞試驗，并建立了有限元模型，研究結(jié)果表明，裂紋的偏移距離與裂紋的尺寸之間的比值不同，裂紋之間的相互作用以及疲勞壽命也有所變化。Wang 等［10］研究了延性復(fù)合材料的高缺口比對拉伸行為的影響，通過雙邊對稱缺口拉伸試驗發(fā)現(xiàn)，雙邊缺口對纖維增強(qiáng)材料的壽命預(yù)測發(fā)揮重要的作用。Gope 等［11］通過大量實(shí)驗研究了鋁合金材料兩個不對稱裂紋的擴(kuò)展，通過改變兩個裂尖的相對位置研究裂紋擴(kuò)展的角度。

本文采用線切割在板條形鑄鐵試件上加工初始裂紋，研究初始裂紋長度以及初始裂紋距離對鑄鐵試件裂紋擴(kuò)展及斷裂荷載的影響。

1 灰鑄鐵單邊裂紋試件的試驗研究

1.1 試件形式及試驗過程

為研究不同初始裂紋長度和不同裂紋位置對灰口鑄鐵裂紋擴(kuò)展的影響，雙邊平行裂紋試件的初始裂紋長度分別取5 mm 和10 mm，雙邊裂紋縱向間距取5，10，15 和20 mm。拉伸試件為長條形，長×寬×厚為200 mm×30 mm×7 mm。裂紋均采用線切割工藝制作，切割絲直徑為0.2 mm。此外，為了對比含雙裂紋試件的拉伸性能變化，還加工了5 mm 和10 mm 的單裂紋試件以及不含裂紋的試件。無裂紋試件中部標(biāo)距段的尺寸:長×寬×厚為200 mm×30 mm×4 mm。每種類型的試件加工3 個，雙邊裂紋試件的試件編號說明:Dxyn 中D 代表雙邊，x 代表初始裂紋長度(5，10)，y 代表裂紋縱向距離(5，10，15，20)，n 代表同類型試件的編號(1，2，3)。如:D10151 代表初始裂紋長度為10 mm，裂紋縱向距離為15 mm 的第一個雙邊裂紋試件。

試驗在工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗室的MTS 液壓伺服疲勞試驗機(jī)上完成，其動態(tài)極限載荷是250 kN。采用位移控制加載，加載速率為0.003 mm/s，采用MTS632.68F-08引伸計測量裂紋區(qū)域的縱向拉伸應(yīng)變，引伸計標(biāo)距為25 mm，如圖1所示。對加載全過程的載荷和試驗機(jī)橫梁位移進(jìn)行讀取，無特別指出時下文中提到的位移均為試驗機(jī)橫梁位移。

圖1 含裂紋鑄鐵試件的拉伸加載示意圖Fig.1 The diagram of tensile loading on grey iron specimen with cracks

三種試件的裂紋擴(kuò)展速度較快，呈現(xiàn)典型的脆性特征，裂紋基本上沿垂直于拉伸載荷方向擴(kuò)展，但裂紋呈多曲折形態(tài)，如圖2 所示。含10 mm 單裂紋試件(S10)試件的裂紋開始擴(kuò)展時位移較小，但裂紋開始擴(kuò)展后能夠承受的變形比含5 mm 單裂紋試件(S5)試件大，說明S10 試件具有更好的韌性。而無裂紋試件達(dá)到載荷峰值后，裂紋迅速貫穿試件，載荷突然下降。

為便于與含裂紋試件對比，對無裂紋試件的載荷位移曲線做歸一化處理，將載荷放大7/4 倍，位移不變。無裂紋試件(O 類)和單裂紋試件的典型荷載—位移曲線如圖3 所示。從圖2 中可以看出，無裂紋試件的斷裂位移約為0.7 mm，引伸計名義應(yīng)變?yōu)?.63%。含單裂紋試件的斷裂位移約為0.4 mm，初始裂紋越長斷裂位移越小，三種類型試件均呈現(xiàn)出比較明顯的脆性。由于試件中含有裂紋時，變形主要在裂紋附近產(chǎn)生，遠(yuǎn)離裂紋部分變形較小，因此總變形較小。試件S5 和S10 載荷位移曲線的初始拉伸剛度基本相同，均明顯低于無裂紋試件的剛度。S10 試件出現(xiàn)宏觀裂紋時的載荷，即最大載荷，為18.6 kN，低于S5 試件的24.6 kN 和無裂紋試件的44.7 kN。試件的載荷位移曲線在達(dá)到極大載荷之前已出現(xiàn)明顯的非線性，這說明材料內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生損傷。隨著載荷的進(jìn)一步增大，試件內(nèi)部彌散的損傷源擴(kuò)展增大，最后匯聚成為宏觀裂紋。

圖2 無裂紋、5 mm 單邊裂紋和10 mm單邊裂紋鑄鐵試件的拉伸破壞形態(tài)Fig.2 Tensile failure modes of grey iron specimens including three configurations:without crack，5 mm unilateral crack and 10 mm unilateral crack

圖3 無裂紋、5 mm 單邊裂紋和10 mm單邊裂紋鑄鐵試件的典型拉伸載荷位移曲線Fig.3 Typical tensile load/displacement curve of grey iron specimens including three configurations:without crack，5 mm unilateral crack and 10 mm unilateral crack

1.2 5 mm 雙裂紋試件的拉伸性能

雙邊平行裂紋試件的初始裂紋長度為5 mm，雙邊裂紋縱向間距為5，10，15 和20 mm 時，分別簡稱為D55，D510，D515，D520 試件。5 mm 雙邊裂紋試件的典型荷載—位移曲線如圖4 所示。從圖中可以看出，D55 試件和D510 試件的載荷位移曲線幾乎相同，最大載荷接近，裂紋產(chǎn)生后都是迅速開裂，均呈現(xiàn)顯著的脆性特征。隨著5 mm 雙邊裂紋試件裂紋縱向間距的增大，最大載荷有一定程度下降，最大下降幅度為11.7%。D515 和D520 試件在裂紋開始擴(kuò)展后仍然具備一定的承載能力，拉伸變形繼續(xù)增大，呈現(xiàn)出韌性斷裂特征。

圖4 5 mm 雙邊裂紋鑄鐵試件的典型拉伸載荷位移曲線Fig.4 Typical tensile load/displacement curve of grey iron specimens with bilateral cracks

D55 試件在初始裂紋張開并向前擴(kuò)展之后發(fā)生了裂紋偏轉(zhuǎn)，在兩條裂紋之間的區(qū)域出現(xiàn)了匯交。D510 試件的上下裂紋各自獨(dú)立擴(kuò)展，擴(kuò)展速率各不相同，無串接趨勢。試件D515 的兩條裂紋中只有一條開裂，直到裂紋貫穿整個試件，而另一條裂紋幾乎沒有擴(kuò)展。D520 試件的上下裂紋各自獨(dú)立擴(kuò)展，擴(kuò)展速率各不相同，擴(kuò)展長度也一般不同，沒有發(fā)生串接。D510，D515 和D520 試件的裂紋大致沿垂直于拉伸載荷方向擴(kuò)展，裂紋呈鋸齒狀，為典型的拉伸破壞，破壞形態(tài)如圖5 所示。通過以上分析可知，5 mm雙邊裂紋試件的裂紋縱向距離大于等于10 mm 時裂紋不會串接，兩裂紋各自獨(dú)立擴(kuò)展。

1.3 10 mm 雙裂紋試件的拉伸性能

雙邊平行裂紋試件的初始裂紋長度為10 mm，雙邊裂紋縱向間距為5，10，15 和20 mm 時，分別簡稱為D105，D1010，D1015，D1020 試件。圖6 給出了10 mm 雙邊裂紋試件的典型荷載—位移曲線。

圖5 5 mm 雙邊裂紋鑄鐵試件的拉伸破壞形態(tài)Fig.5 Tensile failure modes of grey iron specimens with 5mm bilateral cracks

圖6 10 mm 雙邊裂紋鑄鐵試件的拉伸破壞形態(tài)Fig.6 Tensile failure modes of grey iron specimens with 10mm bilateral cracks

從圖中可以看出，四條曲線的最大載荷接近，說明10 mm 雙邊裂紋試件的最大拉伸載荷對縱向間距不敏感。與D105 試件和D1010 試件相比，D1015 和D1020 試件的載荷位移曲線在達(dá)到載荷峰值前具有更為顯著的非線性行為。四種10 mm 雙邊裂紋試件在裂紋開始擴(kuò)展后都具備一定的承載能力，橫梁位移繼續(xù)增加，拉伸變形繼續(xù)增大，呈現(xiàn)出韌性斷裂特征。

四種試件的破壞形態(tài)如圖7 所示，D105 試件在裂紋開始擴(kuò)展后發(fā)生了裂紋偏轉(zhuǎn)，在兩條裂紋之間的區(qū)域出現(xiàn)了匯交。試件D1010 中一條裂紋擴(kuò)展較長開裂，另一條裂紋擴(kuò)展較短。D1015 和D520 試件的上下裂紋各自獨(dú)立擴(kuò)展，擴(kuò)展長度相當(dāng)，沒有發(fā)生串接。試件D1010，D1015 和D1020 在裂紋擴(kuò)展過程中小幅的偏折較多，但整體上沿垂直于拉伸載荷方向擴(kuò)展，裂紋呈鋸齒狀，為典型的拉伸破壞。

從以上11 組試件的裂紋擴(kuò)展以及裂紋擴(kuò)展長度分析可以認(rèn)為，裂紋長度主要影響著試件內(nèi)部裂紋萌生和宏觀裂紋出現(xiàn)對應(yīng)的載荷水平，相同裂紋縱向距離的情況下，初始裂紋越長越容易起裂;裂紋縱向距離主要影響試件的擴(kuò)展方向，初始裂紋長度一致時，裂紋縱向距離越小，試件中兩條裂紋越容易發(fā)生匯交串接。裂紋縱向距離為15 mm 和20 mm 時雙裂紋試件的兩條裂紋各自獨(dú)立擴(kuò)展，裂紋沒有發(fā)生明顯的偏折，說明裂紋間距較大時裂紋相互影響較小。

由于力—位移曲線在加載初期為準(zhǔn)線性變化，因此取力—位移曲線上最大載荷的50%處點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率為割線剛度?；诣T鐵試件的割線剛度和最大載荷的平均值如表1 所示。從表中可以看出，試件中包含裂紋時力/位移曲線的割線剛度明顯減小，下降23%～34%;最大載荷下降44%～70%。與含5 mm 裂紋試件相比，含10 mm 裂紋試件的最大拉伸載荷有明顯降低，下降約40%。含5 mm 雙裂紋試件和含單裂紋試件的割線剛度基本相同，約為96 kN/mm。含10 mm 雙裂紋試件的割線剛度低于含5 mm 雙裂紋試件和含單裂紋試件的剛度，約降低8%。

圖7 10 mm 雙邊裂紋鑄鐵試件的典型拉伸載荷位移曲線Fig.7 Typical tensile load/displacement curve of grey iron specimens with 10mm bilateral cracks

為了考察鑄鐵試件中添加裂紋后的拉伸性能變化，本文計算了各種類型試件的耗能特性，即對載荷位移曲線進(jìn)行積分計算。為具可比性，取D55，D510，D515，D520 試件載荷位移曲線載荷跌落至6kN 之前的部分曲線，載荷的取D105，D1010，D1015，D1020 試件載荷位移曲線載荷跌落至10 kN 之前的部分曲線，6 kN 和10 kN 分別約為對應(yīng)峰值載荷的42%。因為每組試件有三個試件，存在一定的離散性，因此取其能量的平均值進(jìn)行分析，11 種類型試件吸收的能量如圖8 所示。

表1 試件的割線剛度(kN/mm)與最大載荷(kN)Tab.1 The secant stiffness(kN/mm)and maximum load of specimens(kN)

圖8 無裂紋、單邊裂紋和雙邊裂紋鑄鐵試件的耗能特性Fig.8 Energy dissipation characteristics of grey iron specimens including three configurations:no cracks，unilateral crack and bilateral cracks

隨著裂紋長度的增大，試件的耗能能力下降。無裂紋試件吸收能量最高，為23.1 JB，主要是因為變形量相對較大。當(dāng)試件中含裂紋時，試件的總變形量明顯減小，試件吸收的能量大幅降低，S5 吸收能量為6.2 JB，S10 吸收能量為4.6 JB，與無裂紋試件相比降低70%以上。

5 mm 雙邊裂紋試件的耗能性能基本相同，試件D55 和D510 最大載荷較大，但載荷跌落后試件迅速發(fā)生斷裂;D55 和D510 試件最高載荷略低于D55 和D510 試件，但裂紋擴(kuò)展后呈現(xiàn)一定的韌性特征，能夠繼續(xù)吸收能量。

10 mm 雙邊裂紋試件的耗能性能隨著裂紋間距的增大逐漸增大，這是因為裂紋間距的增大提高了試件裂紋開裂后的變形能力，從而可以吸收更多能量。10 mm 雙邊裂紋試件的耗能性能總體要低于5 mm雙邊裂紋試件，其主要原因是最大載荷大大低于5 mm 雙邊裂紋試件的最大載荷。

2 結(jié) 語

本文對灰鑄鐵無裂紋試件、單邊裂紋試件和雙邊裂紋試件的拉伸斷裂性能進(jìn)行了試驗研究，分析了11 組不同試件類型的斷裂行為，揭示了鑄鐵材料中不同長度初始裂紋、不同裂紋縱向間距對試件整體拉伸性能的影響，得到的結(jié)論如下:

①鑄鐵材料拉伸破壞的斷面呈鋸齒狀，反映了材料內(nèi)部物質(zhì)和力學(xué)性能的非均勻性，宏觀上體現(xiàn)為載荷位移曲線的非線性特征。單邊裂紋試件和雙邊裂紋試件的載荷位移曲線在出現(xiàn)明顯非線性之前的割線剛度基本一致，最大載荷和力/位移曲線的割線剛度明顯低于無裂紋試件。

②試件內(nèi)部裂紋萌生，并逐步發(fā)展成宏觀裂紋這一過程主要與試件的裂紋長度有關(guān)。試件中的初始裂紋越長，起裂時的荷載和位移越小，反之越大。裂紋長度對試件的最大載荷有顯著影響，對割線剛度的影響較小。當(dāng)材料內(nèi)部，主要是裂紋前緣部位，萌生微裂紋后，試件的載荷位移曲線出現(xiàn)明顯的偏折，切線剛度大幅降低。隨后試件內(nèi)部微裂紋逐漸演化發(fā)展，對應(yīng)的載荷不斷增大，當(dāng)微裂紋串接成為宏觀可見裂紋時試件達(dá)到最大載荷。

③雙裂紋試件的裂紋縱向間距對試件的最大載荷和割線剛度影響不大，但對試件達(dá)到最大載荷后的承載能力有重要影響，間距越大則試件可以承受更大的變形，從而吸收更多能量，表現(xiàn)出更好的韌性特征。當(dāng)裂紋縱向間距為5 mm 時，裂紋有串接趨勢;當(dāng)裂紋間距大于等于10 mm 時，試件中的兩條裂紋各自擴(kuò)展，不會發(fā)生串接，且裂紋均有一定的擴(kuò)展，與一條主裂紋擴(kuò)展相比，可以耗散更多能量。

④在灰鑄鐵這種典型脆性材料中添加裂紋會降低試件的總變形能力和剛度，呈現(xiàn)一定的韌性行為，不會發(fā)生突然斷裂，實(shí)現(xiàn)一定程度的脆韌轉(zhuǎn)化。基于本文試驗結(jié)果可以認(rèn)為，當(dāng)寬30 mm 試件中裂紋長度不大于5 mm 時，單裂紋試件和雙裂紋試件的最大拉伸載荷基本不變;當(dāng)寬30 mm 試件中裂紋長度為10 mm 時，雙裂紋試件的最大拉伸載荷約為單裂紋試件的3/4。

［1］ 趙占彪，張琴，霍星，等.灰口鑄鐵斷裂破壞的觀察與研究［J］.內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報，1999，20(4):114-116.

［2］ 曹睿，任學(xué)沖，陳劍虹，等.鑄鐵斷裂機(jī)理原位拉伸研究［J］.甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，29(2):8-13.

［3］ 王利民，孫明遠(yuǎn)，賀光宗.鑄鐵缺口梁斷裂過程電測試和結(jié)構(gòu)承載力計算［J］.金屬學(xué)報，2008，44(7):853-858.

［4］ DOWNING S D，SOICE D F.Stress/strain simulation model for grey cast iron［J］.International Journal of Fatigue，1982，4(3):143-148.

［5］ BERTOLINOA G，JUAN E.Geometrical effects on lamellar grey cast iron fracture toughness［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006，179(1-3):202-206.

［6］ REN F Z，LI F J.Effect of inoculating addition on machinability of gray cast iron［J］.Journal of Rare Earths，2009，27(2):294-330.

［7］ 李卓.內(nèi)聚力和擴(kuò)展有限元方法在裂紋擴(kuò)展模擬中的應(yīng)用研究［D］.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，2013.

［8］ 張麗敏，張克實(shí)，石艷柯.純鋁試樣厚度與缺口深度對拉伸破壞的影響［J］.廣西大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，34(4):438-443.

［9］ 陳躍良，胡建軍，卞貴學(xué)，等.非共面雙裂紋擴(kuò)展相互作用的試驗及模擬［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2012，29(5):585-588.

［10］WANG Z X，LI M J，JIANG J H，et al.Notch size and goading rate on the tensile behavior of woven fabric reinforced flexible composite with symmetrical double edge notch［J］.Industria Textila，2013，64(5):273-276.

［11］GOPE P C，THAKUR A.Experimental investigation of crack growth direction in multiple cracks［J］.Fatigue＆Fracture of Engineering Materials＆Structures，2011，34(10):804-815.