灰铸铁材料的静力学性能与疲劳性能

张锦;贾成玺;马荣华【摘要】采用不同的碳当量，对某发动机用灰铸铁材料的化学成分进行了优化改进,改进前硅碳含量比cSi/cC=0.63,改进后硅碳含量比cSi/cC=0.7左右，对改进前后附铸试棒的静力学性能和疲劳性能进行了检测.结果表明：当碳当量cCE=3.80%(质量分数)、硅碳含量比cSi/cC=0.7左右时，灰铸铁材料的各项性能均处于较好状态；硅碳含量比cSi/cC高的材料，其弹性模量也高,而抗拉强度和规定总延伸强度又均随弹性模量的提高而提高；相同疲劳环境下，弹性模量高的材料，其疲劳循环周次也高；经改进后，试验灰铸铁材料的抗拉强度在330~350MPa、弹性模量在185000-195000MPa,拉拉疲劳极限在47.5~51MPa.%Usingdifferentcarbonequivalentcontents,thechemicalcompositionsofgraycastironmaterialusedforanenginewereimprovedandoptimizedwiththeratioofsiliconcontenttocarboncontent(cSi/cC)changingfrom0.63(beforeimprovement)to0.7(afterimprovement),andthestaticmechanicalpropertiesandfatiguepropertiesoftheattachedcasttestblocksweretestedbeforeandafterimprovement.TheresultsshowthatwhenthecarbonequivalentcontentcCE=3.80%(mass)andcSi/cC=0.7,theperformancesofthegraycastironmaterialwereingoodcondition.ThematerialwithhighercSi/cChadhigherelasticmodulus,andthetensilestrengthandtotalextensionproofstrengthalsoincreasedwiththeincreaseofelasticmodulus.Underthesamefatiguecondition,thematerialwithhigherelasticmodulushadhigherfatiguecycles.Afterimprovement,thetensilestrengthofthegraycastironmaterialwas330~350MPa,theelasticmoduluswas185000~195000MPa,andthetensilefatiguelimitwas47.5~51MPa.【期刊名称】《理化检验-物理分册》【年(卷)，期】2016(052)008【总页数】4页(P567-569,588)【关键词】灰铸铁;硅碳含量比;抗拉强度;弹性模量;规定总延伸强度;疲劳循环周次;疲劳极限【作者】张锦;贾成玺;马荣华【作者单位】宁夏共享集团股份有限公司检测中心，银川750021;宁夏共享集团股份有限公司检测中心，银川750021;宁夏共享集团股份有限公司检测中心，银川750021【正文语种】中文【中图分类】TG142.1;TG115.1发动机用灰铸铁材料在服役过程中不仅受到静力载荷的作用，还会受到远小于静强度的交变载荷的作用，所以材料不仅要有一定的静强度，还必须要有一定的抗疲劳性能。用户规范要求：某发动机用灰铸铁件35mm厚壁处的抗拉强度Rm>310MPa,同时要对此材料的疲劳性能进行研究。为此，笔者通过参阅相关资料进行分析，对此材料的化学成分进行了优化改进，并对其静力学性能和疲劳性能进行了研究。根据规范要求，采用铸件壁厚35mm处的附铸试块进行试验。实际生产初期，对附铸试块按照ASTME8-2015加工成标准拉伸试样，在室温下检测其静力学性能指标，结果表明抗拉强度平均值低于用户规范要求的310MPa。该附铸试块的化学成分及力学性指标平均值见表1中的改进前试验结果，可以看出改进前碳当量cCE=3.79%(质量分数，下同)，硅碳含量比cSi/cC=0.63。经查阅资料，当碳当量cCE=3.8%时，有如下结论。当硅碳含量比cSi/cC从0.5-0.7T0.9变化时，铸铁组织出现从珠光体+共晶莱氏体+E型石墨-珠光体+片状石墨-珠光体+铁素体+D型石墨变化［1］。当硅碳含量比cSi/cC从0.5-0.7-0.9变化时，铸铁的抗拉强度呈抛物线状变化，硬度呈下降趋势。在cSi/cC=0.7时，抗拉强度最大为357MPa，硬度为238HB［1］。⑶硅锰含量差值cSi-cMn一般控制在1.1%~1.4%，低于1.4%时材料强度变化不大，相同硅锰含量差值cSi-cMn，硅碳含量比cSi/cC高的材料其强度也较高［2］。根据以上结论，选择不同碳当量cCE化学成分，并将硅碳含量比cSi/cC控制在0.7左右进行优化改进试验，实测化学成分见表1中改进后1,2,3试验结果。室温下检测改进后附铸试块的静态力学性能指标，其平均值见表1,同时求出每种成分附铸试块的硅碳含量比cSi/cC、硅锰含量差值cSi-cMn、共晶度、成熟度、硬化度、品质等填入表1。2.1抗拉强度检测结果分析对表1中改进前后灰铸铁材料的抗拉强度检测结果分析如下。改进后硅碳含量比cSi/cC提高，材料抗拉强度提高，满足用户规范要求。硅碳含量比cSi/cC在0.7左右时，材料抗拉强度平均值在330MPa左右，实际最大抗拉强度在350MPa左右，与文献资料一致。硅碳含量比cSi/cC在0.7左右变化不大时，硅锰含量差值cSi-cMn低的材料强度稍高。⑷当碳当量cCE=3.80%、硅碳含量比cSi/cC=0.7时，材料强度较高，而且适宜的化学成分使共晶度为0.97、成熟度为1.53、硬化度为1.10、品质系数为1.39,均处于较好状态。⑸当碳当量控制较高，cCE=3.86%时，硅碳含量比cSi/cC在0.7左右时，材料平均抗拉强度略有下降，但共晶度较高。以上结论是由于高的硅碳含量比cSi/cC，增加了SiO2析出量，增加了异质核心，促进了初生奥氏体的形成，共晶团数量增加，石墨析出减少，削弱了石墨对基体的割裂作用，从而材料强度提高；高的硅含量提高了共晶转变临界冷却速率，促进石墨化，减少白口化，减少D型和E型石墨的析出；同时硅含量高，固溶在奥氏体及铁素体里的硅含量也会增加，固溶强化作用提高。2.2弹性模量、规定总延伸强度检测结果分析利用电子拉伸试验机对改进前后材料的抗拉强度进行检测的同时，还根据GB/T22315-2008《金属材料弹性模量和泊松比试验方法》检测了材料的弹性模量和规定总延伸强度。结果表明，硅碳含量比cSi/cC高的材料，其抗拉强度Rm高，弹性模量E也高，如图1所示。而弹性模量E更能反映材料在工作应力和残余应力作用下抵抗变形的能力，也反映了材料抵抗疲劳的能力。弹性模量同规定总延伸强度具有更高的相关性，如图2所示。随着弹性模量E的提高，规定总延伸强度Rt0.07提高，而资料显示Rt0.07能代替拉压疲劳极限［3］，也就是说硅碳含量比cSi/cC提高，材料的弹性模量提高，规定总延伸强度Rt0.07提高，抗疲劳性能随之提高。2.3疲劳性能检测验证根据6日/丁3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》进行疲劳检测验证试验［4］。取两组试棒（每组6根，依次编号为1-1,1-2,将表2中第1组与第2组相同应力幅的试验结果进行比较，比如1-1试样与2-1试样进行比较、1-2试样与2-2试样进行比较。结果发现，弹性模量高的试样，其规定总延伸强度Rt0.07高，疲劳循环周次也高。表2试验结果表明，试棒疲劳循环周次达107次时，其应力幅在47.5~51MPa,并且试棒的抗拉强度基本在350MPa左右。当灰铸铁材料的碳当量cCE=3.8%、硅碳含量比cSi/cC=0.7时，其抗拉强度可达330~350MPa;适宜的化学成分使灰铸铁材料的共晶度为0.97、成熟度为1.53、硬化度为1.10、品质系数为1.39，均处于较好状态。硅碳含量比cSi/cC高的材料，其弹性模量也高，而抗拉强度和规定总延伸强度又均随弹性模量的提高而提高。⑶相同疲劳环境下，弹性模量和抗拉强度高的材料，其疲劳循环周次和拉拉疲劳极限也高。⑷经化学成分改进后，试验灰铸铁材料的抗拉强度在330~350MPa、弹性模量在185000~195000MPa，拉拉疲劳极限在47.5~51MPa。【相关文献】夏青，刘亚民,姚定邦.Si/C对灰铸铁组织和性能的影响[J].铸造技术,2003,24(1):16-17.沈永华，潘东杰,黄列群.高强度灰铸铁的研究进展[J