一种球墨铸铁的超高周疲劳行为研究

收 稿 日 期 :2002212216 ; 修 订 日 期 :2003204211基 金 项 目 :国 家 自 然 科 学 基 金 (59975075) ;江 苏 省 教 育 厅科 研 项 目 (00 助 项 目文 章 编 号 :100026893 (2004) 0120093204一 种 球 墨 铸 铁 的 超 高 周 疲 劳 行 为 研 究薛 红 前 , 陶 华(西 北 工 业 大 学 航 空 宇 航 制 造 工 程 系 , 陕 西 西 安 710072) 710072 , 要 : 应 用 超 声 疲 劳 试 验 技 术 ,完 成 了 20 率 下 ( R = - 1 , R = 011) 的 疲 劳 试 验 ,获 得 球 墨 铸 铁 周 次 范 围 内 的 疲 劳 性 能 。 通 过 20 率 下 的 超 声 疲 劳 试 验 和 35 率 下 的 常 规 疲 劳 试 验 ,确 定 了 球墨 铸 铁 104 1010周 的 线 ,并 对 105 107 周 之 间 2 种 频 率 下 的 试 验 结 果 进 行 了 比 较 。 试 验 结果 表 明 ,在 疲 劳 循 环 大 于 107 周 时 ,试 件 仍 会 发 生 疲 劳 断 裂 ;在 107 1010周 之 间 ,疲 劳 强 度 随 着 循 环 次 数 的 增加 而 下 降 。 比 较 107 周 内 20 35 的 试 验 结 果 ,表 明 超 声 疲 劳 试 验 中 ,频 率 对 球 墨 铸 铁 劳 性能 的 影 响 不 大 。 经 扫 描 电 镜 观 察 疲 劳 断 裂 试 件 发 现 ,在 高 周 疲 劳 条 件 下 ,疲 劳 破 坏 主 要 源 于 试 件 表 面 不 均 匀分 布 的 球 墨 和 试 件 内 部 的 缩 孔 。关 键 词 : 球 墨 铸 铁 ; 疲 劳 断 裂 ; 线 ; 超 声 疲 劳 试 验 ; 缩 孔中 图 分 类 号 : 5 ; 文 献 标 识 码 : to of by 05Hz R = - 1 , R =011) . 2N at in 04 010 07 to to 07 010 of at 05Hz no on 07 of is to it is in in of 铸 铁 汽 车 工 业 中 常 见 的 金 属 材料 ,它 是 汽 车 发 动 机 、 车 体 等 部 件 的 结 构 材 料 ,掌握 该 材 料 的 力 学 性 能 是 实 现 结 构 设 计 的 关 键 。 此外 ,为 了 保 证 承 受 周 期 载 荷 的 结 构 件 在 整 个 生 命周 期 内 安 全 工 作 ,必 须 对 其 疲 劳 特 性 进 行 研 究 。由 于 一 些 汽 车 结 构 件 在 工 作 过 程 中 承 受 相 对 高 周次 的 循 环 载 荷 作 用 ,比 如 汽 车 发 动 机 的 疲 劳 寿 命在 108 周 以 上 1 ,2 ,因 而 要 求 掌 握 材 料 在 超 高 周范 围 内 的 疲 劳 特 性 。由 于 时 间 和 费 用 的 限 制 ,传 统 的 疲 劳 试 验 方法 ,几 乎 不 可 能 获 得 材 料 的 超 高 周 ( 109 周 ) 疲劳 强 度 ,疲 劳 试 验 一 般 限 制 在 107 周 以 内 ,并 将107 周 所 对 应 的 循 环 应 力 幅 值 作 为 疲 劳 极 限 。 然而 对 于 多 数 材 料 ,并 不 存 在 疲 劳 极 限 ,尤 其 在 不 同的 试 验 条 件 下 ,比 如 高 温 、 非 对 称 循 环 应 力 、 腐 蚀性 环 境 等 条 件 下 , 线 中 不 存 在 水 平 渐 进线 3 6 。 为 了 获 得 107 周 以 上 材 料 的 疲 劳 性 能 ,常 采 用 数 或 其 它 模 型 3 ,7 来 估 计 材 料的 超 高 周 疲 劳 强 度 。 尽 管 这 些 模 型 对 估 计 一 些 材料 的 超 高 周 疲 劳 性 能 较 为 有 效 ,但 要 想 准 确 获 得材 料 的 超 高 周 疲 劳 强 度 ,必 须 通 过 疲 劳 试 验 。 超声 疲 劳 试 验 为 获 得 材 料 的 超 高 周 疲 劳 性 能 提 供 了试 验 手 段 。超 声 疲 劳 试 验 技 术 是 一 种 高 效 、 可 靠 的 确 定超 高 周 疲 劳 强 度 的 方 法 8 。 超 声 疲 劳 试 验 系 统由 超 声 发 生 器 、 换 能 器 、 位 移 放 大 器 、 试 件 组 成 ,试验 是 在 20 率 下 进 行 的 。 试 件 的 加 载 是 以外 加 振 动 信 号 激 励 试 件 ,使 其 沿 轴 向 产 生 谐 振 ,并在 试 件 中 部 获 得 最 大 应 力 值 ,通 过 计 算 机 系 统 控制 试 件 端 面 位 移 保 证 最 大 应 力 幅 值 为 恒 定 。本 文 应 用 超 声 疲 劳 技 术 对 球 墨 铸 铁 105 109 周 的 疲 劳 特 性 进 行 了 研 究 。 为 了 研 究 应力 比 、 频 率 等 对 疲 劳 试 验 结 果 的 影 响 ,完 成 了 对 称第 25 卷 第 1 期 航 空 学 报 1 月 T 2004循 环 应 力 ( R = - 1) 和 非 对 称 循 环 应 力 ( R =011) 下 的 超 声 疲 劳 试 验 ,并 将 试 验 结 果 与 35 下 的 试 验 结 果 进 行 了 比 较 。 通 过 扫 描 电 镜 观察 试 件 疲 劳 源 和 扩 展 裂 纹 ,分 析 了 在 不 同 疲 劳 寿命 下 球 墨 铸 铁 疲 劳 断 裂 行 为 。1 材 料 和 试 件用 于 疲 劳 试 验 的 球 墨 铸 铁 经 热 处理 ,材 料 内 部 的 球 墨 占 总 体 积 的 15 %左 右 ,球 墨粒 度 平 均 为 20 m ,铁 基 质 粒 度 约 为 50 m ,大 量的 球 墨 呈 现 不 均 匀 分 布 。 图 1 所 示 为 球 墨 铸 铁 件 横 截 面 显 微 结 构 图 ,该 截 面 与 疲 劳 断 裂平 面 平 行 。 球 墨 铸 铁 化 学 组 成 为 (质 量百 分 数 ) : C 3165 % , 149 % , 15 % , ,104 %。 其 静 态 力 学 性 能 如 表 1 所示 。表 1 球 墨 铸 铁 ( 学 性 能 of ( %) /(m - 3) 0168185 460 795 9 7100 265133图 1 球 墨 铸 铁 ( 件 横 截 面 显 微 结 构 of 试 件 取 自 实 际 结 构 材 料 ,其 几 何 尺 寸 由解 析 计 算 8 结 合 有 限 元 法 确 定 ,以 使 试 件 满 足20 率 下 的 共 振 条 件 。 为 了 使 试 件 中 部 达 到足 够 大 的 应 力 ,试 件 设 计 成 中 间 直 径 为 8 狗骨 形 。 图 2 所 示 为 试 件 的 几 何 尺 寸 及 其 在 试 验 过程 中 的 应 力 分 布 。 疲 劳 试 验 中 ,通 过 控 制 试 件 振动 位 移 来 确 定 其 应 力 幅 值 ,试 件 形 状 确 定 了 端 面位 移 值 与 应 力 幅 值 之 间 的 数 值 关 系 。2 试 验 方 法疲 劳 试 验 分 别 在 3520 率 下 进 行 ,35 试 验 是 在 液 压 疲 劳 机图 2 试 件 几 何 尺 寸 及 应 力 分 布 of 成 。 试 验 中 ,试 件 沿 轴 向 受 拉 压 ( R =- 1) , 或 拉 拉 ( R = 011) 循 环 载 荷 。 20率 的 超 声 疲 劳 试 验 系 统 用 于 超 高 周 疲 劳 试 验 ,以获 得 1010周 的 疲 劳 强 度 。 试 件 端 面 的 振 动 幅 值 由计 算 机 系 统 控 制 ,为 使 计 算 机 控 制 程 序 准 确 监 控试 件 端 面 的 振 动 位 移 ,试 验 前 需 对 超 声 疲 劳 系 统振 动 位 移 进 行 标 定 。 当 试 件 发 生 疲 劳 断 裂 时 ,系统 不 再 满 足 谐 振 条 件 ,疲 劳 试 验 系 统 自 动 停 止 ;或当 疲 劳 循 环 次 数 达 1010周 时 ,计 算 机 系 统 控 制 试验 系 统 停 止 。3 结 果 分 析疲 劳 试 验 结 果 如 图 3 所 示 。 对 称 循 环 应 力( R = - 1) 下 的 疲 劳 结 果 显 示 (图 3 (a) ) ;随 着 应力 幅 值 的 下 降 ,疲 劳 寿 命 在 不 断 增 长 ;当 疲 劳 寿 命大 于 107 周 时 ,没 有 明 显 的 水 平 渐 近 线 ;试 件 在107 1010周 之 间 仍 会 发 生 疲 劳 断 裂 。 应 用 阶 梯法 估 算 在 35 率 、 107 周 下 的 疲 劳 强 度 为269按 传 统 的 疲 劳 极 限 理 论 , 载 荷 应力 水 平 低 于 269 将 呈 无 限 寿 命 。 然 而20 率 试 验 显 示 , 件 无 疲 劳 极 限 ,109周 下 的 疲 劳 强 度 降 为 24415同 样 地 ,非 对称 循 环 应 力 ( R = 011) 下 (图 3 (b) ) ,试 件 在 107 1010周 之 间 仍 会 发 生 疲 劳 断 裂 , 线 呈 连续 下 降 的 趋 势 ,但 相 比 对 称 循 环 应 力 下 的 试 验 结果 ,疲 劳 试 验 数 据 比 较 分 散 。 35 率 、 107 周 下的 疲 劳 强 度 为 425而 20 率 、 109 周 下的 疲 劳 强 度 降 为 33115疲 劳 强 度 下 降 更 为明 显 。 所 有 疲 劳 断 裂 试 件 经 扫 描 电 镜 观 察 ,结 果显 示 :疲 劳 破 坏 主 要 源 于 铸 铁 表 面 及 内 部 的 缩 孔和 分 布 不 均 、 粒 度 不 均 的 球 墨 。49 航 空 学 报 第 25 卷图 3 球 墨 铸 铁 线 2N of 讨 论(1) 频 率 的 影 响 由 于 超 声 疲 劳 试 验 是 在20 率 下 完 成 的 ,所 以 频 率 对 试 验 结 果 的 影响 尤 为 重 要 , 线 表 明 , 对 称 循 环 应 力 下( R = - 1) , 在 105 107 周 之 间 ,20 率 下 的 线 略 低 于 35 率 下 的 线 。 非 对称 循 环 应 力 下 ,尽 管 数 据 较 为 分 散 ,但 在 数 据 的 分散 带 内 ,在 105 107 周 之 间 ,两 种 频 率 下 的 试 验结 果 基 本 相 符 。 所 以 频 率 对 球 墨 铸 铁 劳性 能 的 影 响 不 大 。(2)微 结 构 的 影 响 球 墨 铸 铁 微 观结 构 组 织 中 分 布 不 均 匀 的 球 墨 、 铸 造 缩 孔 是 高 周疲 劳 断 裂 的 主 要 原 因 。 扫 描 电 镜 观 察 疲 劳 断 裂 试件 ,在 高 周 疲 劳 断 裂 试 件 中 ,疲 劳 破 坏 都 发 生 在 大颗 粒 球 墨 或 缩 孔 处 。 在 应 力 比 R = 011 时 , 疲 劳断 裂 更 容 易 发 生 在 内 部 缩 孔 处 。 图 4、 图 5 显 示不 同 试 验 条 件 下 的 疲 劳 断 裂 情 况 。 分 析 疲 劳 源 的位 置 发 现 ,当 疲 劳 源 为 球 墨 时 ,疲 劳 破 坏 大 都 源 于试 件 表 面 ;当 疲 劳 源 为 缩 孔 ,疲 劳 断 裂 易 发 生 在 试件 内 部 。 这 主 要 是 由 于 球 墨 铸 铁 ,球 墨粒 度 较 大 、 分 布 较 广 ,当 材 料 内 部 缩 孔 不 明 显 时 ,在 试 件 表 面 球 墨 处 最 容 易 发 生 应 力 集 中 ,当 试 件内 部 缩 孔 较 大 时 ,缩 孔 处 的 应 力 集 中 影 响 更 大 ,尤其 当 R = 011 时 , 最 大 循 环 应 力 增 大 ,在 试 件 内部 缩 孔 处 产 生 更 大 应 力 集 中 ,而 使 试 件 从 内 部 缩孔 处 起 裂 。(3) 温 度 的 影 响 球 墨 铸 铁 20 下 振 动 时 ,由 于 内 摩 擦 而 使 试 件 温 度 迅 速 上升 ,在 疲 劳 振 动 周 期 106 107 周 之 间 ,温 度 达 到最 高 。 在 超 声 疲 劳 试 验 时 通 过 压 缩 空 气 冷 却 试件 ,当 循 环 周 期 大 于 107 周 时 ,试 件 温 度 相 对 稳 定在 50 90 ,因 而 温 度 对 疲 劳 寿 命 的 影 响 应 予 关注 。 尤 其 对 于 应 力 比 R = - 1 的 拉 压 疲 劳 试验 ,由 于 应 力 幅 值 大 ,温 度 相 对 更 高 ,温 度 升 高 使试 件 表 面 尤 其 是 裂 纹 表 面 受 到 更 强 烈 的 大 气 氧 化作 用 和 化 学 侵 蚀 ,对 于 表 面 裂 纹 ,更 能 加 速 裂 纹 的扩 展 ,而 使 疲 劳 强 度 下 降 。 但 分 析 球 墨 铸 铁 劳 试 验 结 果 ,试 件 大 都 在 108 1010周 之 间 、试 件 温 度 相 对 稳 定 时 发 生 断 裂 ,所 以 ,温 度 对 疲 劳寿 命 的 影 响 不 明 显 。 (4)应 力 比 的 影 响 试 件 在 20 率 下 的疲 劳 试 验 结 果 表 明 :应 力 比 ( R = - 1 , R = 011)直 接 影 响 试 件 的 疲 劳 断 裂 方 式 。 对 于 超 高 周 疲 劳试 验 ,当 R = - 1 时 ,在 试 件 表 面 分 布 的 球 墨 和 微缩 孔 处 容 易 发 生 滑 移 (挤 入 挤 出 ) ,试 件 在 交 变载 荷 作 用 下 , 首 先 从 表 面 处 形 成 裂 纹 并 扩 展 、 断裂 。 当 应 力 比 R = 011 时 , 试 件 受 纯 拉 伸 应 力 的作 用 ,在 试 件 内 部 最 大 缺 陷 处 发 生 局 部 应 变 而 产生 应 力 集 中 ,疲 劳 断 裂 常 发 生 在 试 件 内 部 缩 孔 处 。此 外 ,球 墨 铸 铁 高 频 试 验 中 ,由 于 材 料 周期 性 的 弹 性 变 形 而 使 试 件 温 度 升 高 很 快 ,对 于 空气 环 境 中 的 疲 劳 试 件 ,这 有 利 于 试 件 表 面 裂 纹 的氧 化 ,加 速 裂 纹 扩 展 ,这 与 前 面 所 述 疲 劳 试 验 结 果相 符 ,即 线 显 示 ,在 105 107 循 环 周 期 内 、20 率 下 的 疲 劳 强 度 略 低 于 35 率 下 的疲 劳 强 度 。 所 以 环 境 对 球 墨 铸 铁 劳 性 能是 一 个 潜 在 的 影 响 因 素 。图 4 疲 劳 破 坏 源 于 试 件 内 部 的 小 缩 孔 in of 250 N f = 2166 107 周 , R = - 1 , f = 20 结 论对 球 墨 铸 铁 20 率 下 的 超 声 疲劳 性 能 的 研 究 ,获 得 了 应 力 比 R = - 1和 R = 011下 的 ;通 过 对 疲 劳 试 件 表 面 和 内 部 缺 陷59 第 1 期 薛 红 前 等 :一 种 球 墨 铸 铁 的 超 高 周 疲 劳 行 为 研 究 (a)疲 劳 源 于 试 件 表 面 的 石 墨 (b)疲 劳 源 于 缩 孔( 375 ( 350N f = 3. 98 106 周 ) N f = 5. 66 108 周 )图 5 疲 劳 断 裂 照 片 ( R = 0. 1) R = 0. 1)的 分 析 ,以 及 对 不 同 频 率 下 试 验 结 果 的 比 较 ,概 括出 105 109 周 之 间 球 墨 铸 铁 疲 劳 特 性 :(1)在 对 称 循 环 应 力 ( R = - 1) 下 ,球 墨 铸 铁 线 呈 现 连 续 下 降 的 趋 势 ,在 107109 周 之 间 仍 会 发 生 疲 劳 破 坏 ,疲 劳 断 裂 常 发 生于 试 件 表 面 缺 陷 。(2)非 对 称 循 环 应 力 ( R = 011) 下 ,球 墨 铸铁 线 同 样 呈 现 连 续 下 降 的 趋 势 ,在 107 109 周 之 间 仍 会 发 生 疲 劳 破 坏 ,但 当 循 环数 大 于 107 周 后 ,由 于 应 力 幅 值 较 低 ,试 件 不 易 发生 疲 劳 断 裂 ,而 使 线 下 降 变 缓 。(3) 比 较 20 率 与 35 率 的 疲 劳 试验 结 果 ,在 105 107 周 之 间 略 有 差 别 ,但 频 率 效应 不 明 显 。 非 对 称 循 环 应 力 ( R = 011) 下 的 疲劳 试 验 数 据 较 为 分 散 ,这 与 疲 劳 破 坏 经 常 发 生 于试 件 内 部 的 缺 陷 有 关 。 即 缺 陷 的 类 型 、 位 置 、 大 小等 复 杂 因 素 会 影 响 疲 劳 寿 命 。(4)球 墨 铸 铁 20 率 下 ,会 使 试件 温 度 升 高 ,分 析 疲 劳 试 验 结 果 ,温 度 升 高 对 铸 铁材 料 疲 劳 寿 命 的