車(chē)用QT700球墨鑄鐵低周疲勞性能試驗(yàn)研究

摘 要：QT700球墨鑄鐵被大量應(yīng)用于汽車(chē)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(duì)象，通過(guò)軸向不同應(yīng)變幅控制的低周疲勞試驗(yàn)，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(yīng)力-應(yīng)變、循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變、應(yīng)變疲勞壽命特點(diǎn)，給出了相應(yīng)的疲勞參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，QT700在0.3%-0.7%應(yīng)變幅值循環(huán)作用下出現(xiàn)循環(huán)硬化效應(yīng)。利用數(shù)據(jù)處理軟件，參照GB/T 15248-2008附錄A函數(shù)關(guān)系式，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下擬合出了應(yīng)變-壽命曲線(xiàn)。

關(guān)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(chē)制造業(yè)應(yīng)用很廣，據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車(chē)的鑄鐵用量占這車(chē)金屬重量的50%以上。其中QT700球墨鑄鐵被大量應(yīng)用于載荷大、受力復(fù)雜的零件，如汽車(chē)曲軸、連桿、凸輪軸、氣缸套等[1]。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，產(chǎn)品的品質(zhì)成了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)發(fā)展方向，其中產(chǎn)品的疲勞壽命在工程機(jī)械行業(yè)中備受關(guān)注。汽車(chē)主要零件和結(jié)構(gòu)件的失效方式多數(shù)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(duì)于汽車(chē)應(yīng)用材料的選取、輕量化結(jié)構(gòu)件材料的替代是至關(guān)重要的研究?jī)?nèi)容，產(chǎn)品的疲勞壽命已成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)。與傳統(tǒng)的動(dòng)靜強(qiáng)度要求相比，現(xiàn)代設(shè)計(jì)需要了解了解產(chǎn)品的使用環(huán)境，應(yīng)用現(xiàn)代疲勞理論，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，從而確保所需要的疲勞壽命[2]。汽車(chē)零件在交變載荷作用下發(fā)生疲勞失效，對(duì)汽車(chē)壽命、安全系數(shù)有很大影響，因此研究鑄鐵材料在應(yīng)變控制條件下的低周周疲勞性能，在汽車(chē)應(yīng)用材料的選取，零件的性能優(yōu)化，結(jié)構(gòu)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(chē)型用QT700球墨鑄鐵零部件的材料性能參數(shù)，運(yùn)用MTS電液伺服疲勞試驗(yàn)設(shè)備以及MTS引伸計(jì)裝置通過(guò)控制應(yīng)變的低周疲勞試驗(yàn)研究了用于底盤(pán)的 QT700球墨鑄鐵的低周疲勞壽命關(guān)系，利用其配備的數(shù)據(jù)處理軟件，記錄下應(yīng)力-應(yīng)變、應(yīng)變-壽命等數(shù)據(jù)，從而繪制出疲勞壽命預(yù)測(cè)曲線(xiàn)并計(jì)算出其疲勞參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

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

試驗(yàn)通過(guò)對(duì)QT700球墨鑄鐵做靜態(tài)拉伸試驗(yàn)及應(yīng)變疲勞試驗(yàn)，獲取材料的力學(xué)性能以及繪制出材料的低周疲勞壽命E-N曲線(xiàn)。低周疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備、試樣制備、試驗(yàn)程序、試驗(yàn)結(jié)果的處理參照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 26077-2010《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向應(yīng)變控制方法》的要求進(jìn)行，其中試驗(yàn)設(shè)備采用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，試樣尺寸參照標(biāo)準(zhǔn)棒材試樣制定，試樣均由高精度數(shù)控機(jī)床加工，表面再進(jìn)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(yàn)在常溫、大氣環(huán)境下進(jìn)行，利用量程為8mm的MTS軸向引伸計(jì)控制應(yīng)變，按照拉壓對(duì)稱(chēng)三角波進(jìn)行試驗(yàn)加載，軸向應(yīng)變范圍為±0.3%-±0.7%，每個(gè)應(yīng)變等級(jí)擬定4-8個(gè)樣件，以獲得四個(gè)有效數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，試樣斷口在引申計(jì)標(biāo)距內(nèi)視為有效數(shù)據(jù)。由于在高應(yīng)變幅載荷下，試樣夾持時(shí)的微小對(duì)中誤差就會(huì)導(dǎo)致試樣發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，試驗(yàn)前期及試驗(yàn)過(guò)程一定要保證試樣與夾頭處在同一豎直直線(xiàn)上，此外，試驗(yàn)的加載速率也會(huì)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程有直接影響，為了降低設(shè)備控制精度等微小影響，本試驗(yàn)試驗(yàn)的應(yīng)變速率、應(yīng)變幅值、試驗(yàn)頻率按如下公式計(jì)算

循環(huán)波形為三角波，應(yīng)變比R？著為-1，保持應(yīng)變速率為0.08/s恒定，從而計(jì)算出各級(jí)應(yīng)變水平對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)頻率。

試驗(yàn)過(guò)程中兩個(gè)波峰（波谷）出現(xiàn)差值時(shí)的數(shù)據(jù)要特別注意，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，試驗(yàn)過(guò)程中用溫度測(cè)試儀測(cè)試溫度，確保無(wú)較大溫差變化。疲勞壽命（Nf）以材料試驗(yàn)的最大拉伸載荷相對(duì)于試驗(yàn)穩(wěn)定周次的最大載荷下降30%為失效判據(jù)。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

（1）MTS液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)前的熱機(jī)與調(diào)試，調(diào)節(jié)其控制系統(tǒng)的PID，從而達(dá)到穩(wěn)定精準(zhǔn)的控制，降低液壓缸、液壓柱運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的波動(dòng)。

（2）試樣尺寸測(cè)量，利用千分尺及游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣的厚度、寬度、平行段長(zhǎng)度，并進(jìn)行標(biāo)記記錄，用于計(jì)算伸長(zhǎng)率、縮徑率等數(shù)據(jù)。

（3）引伸計(jì)安裝，采用量程8mm的引伸計(jì)，安裝于試樣上，標(biāo)距在試樣平行段間，且保證引伸計(jì)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(biāo)準(zhǔn)樣件對(duì)設(shè)備進(jìn)行對(duì)中試夾，保證上下夾持端處于同一水平面內(nèi)，從而提高控制的精準(zhǔn)度，減小試驗(yàn)誤差。

（5）試樣安裝后，輸入試樣尺寸參數(shù)，首先進(jìn)行幾次單向加載試驗(yàn)，對(duì)比測(cè)定的彈性模量，看是否有較大誤差，以便能夠及時(shí)進(jìn)行修正。

（6）設(shè)置引伸計(jì)保護(hù)、設(shè)備保護(hù)，選擇試驗(yàn)過(guò)程中的控制方式，前期利用引伸計(jì)的監(jiān)測(cè)采用應(yīng)變控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)到兩個(gè)波峰或波谷之間差值超限后，利用力傳感器采用力控制進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)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(yàn)完成后，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)編號(hào)保存，試樣的裂口出現(xiàn)在標(biāo)距內(nèi)為成功試驗(yàn)，其數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)，打開(kāi)數(shù)據(jù)處理軟件，提取保存的各個(gè)應(yīng)變幅值的有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線(xiàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，利用數(shù)據(jù)處理軟件獲取試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，工程應(yīng)力、應(yīng)變與真實(shí)應(yīng)力、應(yīng)變的轉(zhuǎn)換關(guān)系通過(guò)如下公式

根據(jù)彈性應(yīng)變幅-失效反向數(shù)和塑性應(yīng)變幅-失效反向數(shù)的擬合曲線(xiàn)得到應(yīng)變幅-失效反向數(shù)曲線(xiàn)，即應(yīng)變-壽命曲線(xiàn)，如圖5曲線(xiàn)所示。

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

塑形應(yīng)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(yīng)變的大小能夠直接影響材料的疲勞壽命，球墨鑄鐵QT700在應(yīng)變幅？著a？燮0.3%條件下，疲勞性能基本穩(wěn)定，塑形應(yīng)變很微小，在應(yīng)變幅？著a？叟0.4%條件下，塑形應(yīng)變開(kāi)始顯著提高，直接影縮短了材料的疲勞壽命。

利用數(shù)據(jù)處理軟件在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下對(duì)應(yīng)力幅與塑性應(yīng)變幅進(jìn)行線(xiàn)性擬合得到lg（？駐？滓/2）-lg（？駐？著p/2）曲線(xiàn)，？駐？滓/2與？駐？著p/2關(guān)系為：

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）根據(jù)GB/T 15248-2008附錄A函數(shù)關(guān)系式，得出QT700疲勞壽命關(guān)系式為：

（2）車(chē)用材料QT700在零件成型前進(jìn)行合理的預(yù)拉伸變形，應(yīng)

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

（3）材料應(yīng)用于車(chē)身底盤(pán)時(shí)，可以通過(guò)控制應(yīng)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(qiáng)度情況下，球墨鑄鐵QT700可以逐步代替原來(lái)碳素鋼、合金鋼制造車(chē)身底盤(pán)零件，從而達(dá)到汽車(chē)輕量化的目標(biāo)。

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作者簡(jiǎn)介：郭偉壯（1990-），男，河北邯鄲，主要研究方向?yàn)檐?chē)輛。

*通訊作者：崔國(guó)華