蠕墨鑄鐵RuT400與RuT450的拉伸與疲勞性能

孟令健 張孟梟 李玉娟 呂文芝 張 輝 龐建超

(1.中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 100081；3.東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110004)

疲勞失效是內(nèi)燃機(jī)缸體和缸蓋主要的破壞形式之一[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約有80%的失效形式都是由疲勞引起的[2]。目前內(nèi)燃機(jī)缸體和缸蓋所使用的材料主要是鋁合金與蠕墨鑄鐵[3]。相較于鋁合金的高成本和不穩(wěn)定性，蠕墨鑄因具有良好的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，被廣泛地應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)缸蓋的生產(chǎn)中[4]。其中主要以RuT400和RuT450居多，前者用于內(nèi)燃機(jī)缸蓋的生產(chǎn)，后者用于內(nèi)燃機(jī)缸體和缸蓋。由于RuT450擁有比RuT400更高的抗拉強(qiáng)度和硬度，所以兩者在應(yīng)用上存在一定差距[5]。本文選取這兩種材料來進(jìn)行軸向拉伸和高周疲勞試驗(yàn)，分析了兩種材料拉伸性能和疲勞性能的差異，并探究了裂紋的萌生與擴(kuò)展機(jī)制，以期為提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

RuT400和RuT450的化學(xué)成分如表1所示。拉伸和疲勞試樣尺寸如圖1所示。靜態(tài)拉伸試驗(yàn)使用Instron 5982電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，拉伸速率為5×10-4s-1，應(yīng)變規(guī)標(biāo)距為25 mm，每種材料各取3個(gè)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。高周疲勞試驗(yàn)使用電磁共振高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)(Rumul testronic 100 kN)，試驗(yàn)溫度為25 ℃，應(yīng)力比為R=-1，載荷為正弦波形，終止壽命選取107，試驗(yàn)頻率約110 Hz，疲勞強(qiáng)度通過升降法進(jìn)行計(jì)算。

圖1 試樣尺寸

表1 RuT400和RuT450的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

RuT400和RuT450的顯微組織如圖2所示[6]。從圖2可以看出，蠕墨鑄鐵RuT400和RuT450的顯微組織可大致分為3個(gè)部分：亮白色珠光體、灰暗色鐵素體以及黑色石墨。RuT400的石墨基本被鐵素體包圍；而RuT450的珠光體含量較高，導(dǎo)致部分石墨直接與珠光體接觸。通過Image-Pro Plus(IPP)軟件計(jì)算得到這兩種材料各相的面積分?jǐn)?shù)和蠕化率如表2所示。

圖2 RuT400和RuT450的顯微組織

表2 RuT400和RuT450的各相面積分?jǐn)?shù)和蠕化率

從表2可以發(fā)現(xiàn)：RuT400和RuT450的化學(xué)成分相近，但各相面積分?jǐn)?shù)不同。這是因?yàn)镽uT450的冷卻速度比RuT400快，導(dǎo)致第二階段石墨化不完全[7]。而鑄鐵的石墨化完全程度決定基體組織的面積分?jǐn)?shù)。因此RuT450的珠光體含量比RuT400多。

2.2 拉伸性能與斷口形貌

RuT400與RuT450的拉伸性能如表3所示，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

表3 RuT400和RuT450的拉伸性能

從圖3可以看出：RuT400與RuT450的彈性變形階段曲線幾乎重合(RuT400的彈性模量為136 GPa，RuT450的彈性模量為123 GPa)，但RuT450的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都高于RuT400。蠕墨鑄鐵的力學(xué)性能主要取決于石墨形態(tài)(蠕化率及石墨分布均勻性)和基體組織(珠光體和鐵素體含量)。由于RuT400與RuT450的蠕化率接近，因此RuT450的抗拉強(qiáng)度高于RuT400可能是RuT450中珠光體含量更多所致。珠光體為鐵素體和滲碳體層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鐵素體，硬度適中，塑性和韌性較好，所以提高了材料的抗拉強(qiáng)度。對于鑄鐵材料，當(dāng)珠光體的面積分?jǐn)?shù)大于60%時(shí)，隨著珠光體含量的增加，材料的抗拉強(qiáng)度和硬度均有所提高[8]。

圖3 RuT400與RuT450的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線

RuT400和RuT450的拉伸斷口如圖4和圖5所示。兩種材料的斷裂方式均為解理斷裂，斷口均出現(xiàn)了河流狀花紋、解理平面。如圖4(b、c)和圖5(b、c)所示，RuT450的解理面都是獨(dú)立的，而RuT400的部分解理面邊緣相接近。RuT400的解理面附近可見明顯的二次裂紋，而RuT450則沒有。

圖5 RuT450的拉伸斷口

圖4 RuT400試樣的拉伸斷口

2.3 高周疲勞性能

RuT400和RuT450的S-N曲線如圖6所示。RuT400和RuT450的Basquin關(guān)系分別為：

圖6 RuT400和RuT450的S-N曲線

σa=319.41×(2Nf)-0.04

(1)

σa=326.41×(2Nf)-0.05

(2)

從圖6可以看出：RuT450的疲勞強(qiáng)度高于RuT400，但其疲勞數(shù)據(jù)的分散性(以各應(yīng)力層級壽命平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差作為統(tǒng)計(jì)依據(jù))卻大于RuT400，RuT400疲勞壽命達(dá)到107的僅有3個(gè)應(yīng)力層級，而RuT450有5個(gè)應(yīng)力層級。

Ru400和Ru450的疲勞斷口如圖7和圖8所示。如圖7(a)和圖8(a)所示，RuT400和RuT450的斷口瞬斷區(qū)占總斷口面積的比例較大，說明蠕墨鑄鐵屬于萌生壽命大于擴(kuò)展壽命的材料[9]。從圖7(b、c)和圖8(b、c)可以看出，兩者的疲勞裂紋均源于試樣表面的石墨與基體交界處,裂紋擴(kuò)展區(qū)中發(fā)現(xiàn)解理面，表明蠕墨鑄鐵的疲勞斷裂過程發(fā)生了解理斷裂，RuT400與RuT450的斷裂方式相同。

圖8 RuT450的疲勞斷口(σa=200 MPa, Nf=644 545周次)

圖7 RuT400的疲勞斷口(σa=200 MPa,Nf=213 227 周次)

Ru400和Ru450典型疲勞斷裂試樣的縱切面微觀組織如圖9和圖10所示。如圖9(a)和10(a)所示，兩者的疲勞裂紋均萌生于試樣邊緣，早期主裂紋表面比較平坦。但隨著疲勞循環(huán)周次的增加，裂紋表面變得粗糙，直至完全斷裂。從圖9(b～d)中可以觀察到，RuT400的微裂紋起源于石墨尖端與鐵素體交界處，向珠光體擴(kuò)展。從圖10(b～d)中可以觀察到，RuT450的微裂紋出現(xiàn)在蠕蟲狀石墨附近，較多的微裂紋連接石墨尖端，部分微裂紋貫穿整個(gè)蠕蟲狀石墨。另外，RuT450的許多微裂紋直接在珠光體中擴(kuò)展，而RuT400的微裂紋先是擴(kuò)展到鐵素體再擴(kuò)展到珠光體。

圖10 RuT450的疲勞斷裂試樣的縱切面

圖9 RuT400的疲勞斷裂試樣的縱切面[10]

微裂紋起源于石墨尖端是因?yàn)槭舛耸菓?yīng)力集中點(diǎn)，且石墨兩端越尖銳，應(yīng)力越集中，萌生微裂紋所需循環(huán)周次也越少。從上述觀察結(jié)果看，兩種材料的微裂紋均萌生于石墨尖端，而擴(kuò)展路徑的差異主要是基體組織不同造成的。RuT400的鐵素體含量多于RuT450，RuT400中石墨均被鐵素體包圍，因此RuT400的裂紋從石墨尖端萌生后先擴(kuò)展到鐵素體。而RuT450的珠光體含量多于RuT400，由于鐵素體含量少，RuT450中部分石墨直接與珠光體接觸，因此在這些與珠光體接觸的石墨尖端萌生的微裂紋必定會(huì)擴(kuò)展到珠光體。

2.4 蠕墨鑄鐵基體組織與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系

通過上述分析可知，RuT400和RuT450的疲勞性能和抗拉強(qiáng)度的差別是兩者基體組織的不同造成的。珠光體強(qiáng)度為750～900 MPa，鐵素體強(qiáng)度為180～280 MPa[11]。若將蠕墨鑄鐵看作是復(fù)合材料，根據(jù)復(fù)合材料強(qiáng)度串、并聯(lián)法則，則有：

σb=ωf×σf+ωp×σp

(1)

1/σb=ωf/σf+ωp/σp

(2)

式(1)為串聯(lián)法則，式(2)為并聯(lián)法則。式中：σb為材料的抗拉強(qiáng)度，ωf和ωp分別為鐵素體和珠光體的面積分?jǐn)?shù)，σf和σf分別為鐵素體和珠光體的強(qiáng)度。由于石墨是脆性相且強(qiáng)度比基體低很多，因此將石墨的強(qiáng)度σg視為零。將朱正宇等[12]、張偉等[13]的試驗(yàn)材料的各相含量和抗拉強(qiáng)度，代入式(1)和式(2)計(jì)算，結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，珠光體含量(面積分?jǐn)?shù)，下同)低于40%時(shí)，材料的組織與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系滿足串聯(lián)法則。珠光體含量在40%以上時(shí)，材料的組織與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系滿足并聯(lián)法則。由此可知，珠光體含量為40%是串、并聯(lián)法則的臨界點(diǎn)。

表4 串、并聯(lián)法則計(jì)算結(jié)果

為了探究抗拉強(qiáng)度與珠光體含量之間的關(guān)系，引用朱正宇等[12]、張偉等[13]、林勇傳等[14]、Qiu等[15]和Guzik等[16]的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到抗拉強(qiáng)度與珠光體含量之間的關(guān)系如圖11中圓點(diǎn)所示。可見，隨著珠光體含量的增加，材料的抗拉強(qiáng)度遞增。因此，依照指數(shù)函數(shù)形式對其進(jìn)行擬合，如圖11曲線所示，其關(guān)系式為：

圖11 抗拉強(qiáng)度與珠光體含量之間的關(guān)系

σb=a+be(ωp+c)/d

(3)

式中：σb為材料的抗拉強(qiáng)度，ωp為珠光體面積分?jǐn)?shù)，a、b、c和d均為擬合參量，無物理意義，本文取值分別為377.19、4.61、-18.44和22.64。

隨著珠光體含量的增加，材料的抗拉強(qiáng)度遞增。這是由于當(dāng)珠光體含量較低時(shí)，鐵素體在基體組織中的比例較大，珠光體的強(qiáng)化作用不明顯，抗拉強(qiáng)度提高不明顯。隨著珠光體含量的增加，珠光體逐漸起主導(dǎo)作用，抗拉強(qiáng)度明顯提高。Zhang等[17]研究雙相復(fù)合材料的彈性模量時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)基體彈性模量較小時(shí)，滿足串聯(lián)關(guān)系；當(dāng)基體彈性模量較大時(shí)，滿足并聯(lián)關(guān)系。鐵素體的彈性模量比珠光體小，參考彈性模量關(guān)系，可以很好地解釋表4中的串并聯(lián)關(guān)系。因此，隨著珠光體含量的增加，蠕墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度總體遞增。

2.5 高周疲勞機(jī)制

RuT450和RuT400的疲勞斷裂方式如圖12所示。RuT450和RuT400的成分和蠕化率均接近，因此，兩者疲勞強(qiáng)度和疲勞抗力有差別的原因是珠光體與鐵素體含量不同。珠光體強(qiáng)度高，且具有均勻的片層結(jié)構(gòu)，從而增加了珠光體內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，位錯(cuò)不易于纏結(jié)和增殖；與珠光體相比，鐵素體的強(qiáng)度較低(180～280 MPa[18])，位錯(cuò)更易增殖和纏結(jié)。在循環(huán)載荷作用下，應(yīng)變局部化是疲勞斷裂的關(guān)鍵因素。裂紋(損傷)總是從應(yīng)力集中處產(chǎn)生并擴(kuò)展，因此對于鐵素體含量較高的RuT400，裂紋在石墨相界萌生后，向鐵素體區(qū)擴(kuò)展，裂紋尖端處位錯(cuò)大量纏結(jié)，產(chǎn)生了一定的疲勞抗力，因此RuT400的S-N曲線較RuT450更為平緩。鐵素體為軟相，萌生壽命較短，擴(kuò)展壽命較長。已有研究表明：蠕墨鑄鐵為萌生壽命占主導(dǎo)的材料，而RuT400的萌生壽命比RuT450短，從而RuT450的疲勞強(qiáng)度較高。

圖12 疲勞斷裂方式

另外，相較于RuT400，RuT450的S-N曲線的數(shù)據(jù)比較分散，這是由于RuT450中只有部分石墨直接與珠光體接觸所致。由于裂紋均萌生于石墨相界，RuT400中石墨均與鐵素體基體接觸，裂紋萌生后進(jìn)入鐵素體區(qū)(軟相區(qū))，裂紋尖端在位錯(cuò)纏結(jié)和增殖作用下，應(yīng)力集中程度降低；而在RuT450中，裂紋在與珠光體接觸的石墨尖端萌生后，部分裂紋進(jìn)入珠光體區(qū)。由于珠光體中位錯(cuò)釘扎效應(yīng)強(qiáng)，基體塑性差、強(qiáng)度高，裂紋進(jìn)入珠光體后位錯(cuò)對裂紋的緩沖作用較小，使裂紋更容易在珠光體中擴(kuò)展，從而導(dǎo)致斷裂。這種石墨與珠光體直接接觸的特殊組織結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展的速度不穩(wěn)定，反映在S-N曲線上的數(shù)據(jù)比較分散。

通過對S-N曲線的分析可知，蠕墨鑄鐵的力學(xué)性能與基體組織密切相關(guān)，尤其是鐵素體和珠光體的含量上。

2.6 蠕墨鑄鐵基體組織與疲勞強(qiáng)度之間的關(guān)系

圖13中數(shù)據(jù)選自文獻(xiàn)[19]和[20]，與圖12類似，珠光體含量與疲勞強(qiáng)度之間也呈現(xiàn)拋物線關(guān)系，其關(guān)系式為：

σ-1=aωp2+bωp+c

(4)

式中：σ-1為材料的疲勞強(qiáng)度，ωp為珠光體面積分?jǐn)?shù)，a、b、c和d均為擬合參量，無物理意義，本文取值分別為0.032、-3.31和214.49。

從圖13可以看出，珠光體含量為40%～60%時(shí)，疲勞強(qiáng)度最低,其原因可能是由于疲勞壽命包括萌生壽命和擴(kuò)展壽命。珠光體含量高時(shí)，可提高萌生壽命，而鐵素體含量高時(shí)，可提高擴(kuò)展壽命。因此，存在一個(gè)臨界轉(zhuǎn)變量，即該珠光體含量的材料，萌生壽命與擴(kuò)展壽命均受到一定程度的限制，從而整體制約了疲勞強(qiáng)度的提高。

圖13 疲勞強(qiáng)度和珠光體含量之間的關(guān)系

當(dāng)珠光體含量低時(shí)，鐵素體含量高，石墨被鐵素體包圍。鐵素體的塑性好，石墨是脆性材料，兩者的彈性模量差異大，變形抗力也不同，所以石墨尖端易萌生微裂紋，微裂紋萌生后，再擴(kuò)展到鐵素體。由于鐵素體中位錯(cuò)受釘扎作用弱，易滑移，使得在裂紋附近產(chǎn)生大量的位錯(cuò)纏結(jié)以阻礙微裂紋的擴(kuò)展。因此，鐵素體含量高的材料擴(kuò)展壽命提高。當(dāng)珠光體含量高時(shí)，鐵素體含量低，部分石墨直接與珠光體接觸。而微裂紋一旦形成進(jìn)入珠光體，由于珠光體中位錯(cuò)受釘扎作用強(qiáng)，不易滑移，所以微裂紋在擴(kuò)展過程受到的阻力比在鐵素體中擴(kuò)展受到的阻力小。因此，珠光體含量高時(shí)，萌生壽命提高。

總之，蠕墨鑄鐵的疲勞損傷機(jī)制隨基體組織的變化而變化。當(dāng)鐵素體含量多于珠光體含量時(shí)，微裂紋擴(kuò)展路徑主要是經(jīng)過鐵素體，符合鐵素體損傷機(jī)制。因此，疲勞壽命隨珠光體含量的減少而提高的原因是擴(kuò)展壽命的提高。當(dāng)珠光體含量多于鐵素體時(shí)，微裂紋的擴(kuò)展路徑主要是鐵素體和珠光體。而且隨著珠光體含量的增加，與珠光體直接接觸的石墨也增加，因此越來越多的微裂紋擴(kuò)展遵循珠光體損傷機(jī)制。此外，鐵素體含量隨珠光體含量的增加而減少，對擴(kuò)展壽命的提高作用不明顯。因此，疲勞壽命隨珠光體含量增加而提高的原因是擴(kuò)展壽命的提高。觀察圖13發(fā)現(xiàn)，蠕墨鑄鐵最低疲勞強(qiáng)度所對應(yīng)的珠光體范圍為40%～60%,因此在實(shí)際生產(chǎn)中，若以疲勞強(qiáng)度為指標(biāo)選取和制備材料，應(yīng)盡量避免珠光體與鐵素體含量相近的基體組織。

3 結(jié)論

(1)RuT400和RuT450的化學(xué)成分和蠕化率相近，RuT450的珠光體含量比RuT400多。RuT450的抗拉強(qiáng)度比RuT400高，這是因?yàn)橹苽銻uT450時(shí)冷卻速率高，珠光體含量多，提高了RuT450的拉伸性能。

(2)RuT450的疲勞強(qiáng)度高于RuT400，但是RuT450疲勞數(shù)據(jù)的分散度高于RuT400，這是兩種材料基體組織的差別造成的。

(3)隨著珠光體含量的增加，蠕墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系提高，疲勞強(qiáng)度則先降后升。因此蠕墨鑄鐵的疲勞損傷機(jī)制隨基體組織的變化而變化。