不同蠕化率蠕墨铸铁的热疲劳性能研究

摘要

本文通过精确控制工艺参数、严格规范现场操作，以包底冲入法生产的蠕墨铸铁缸体、缸盖蠕化率及各项性能指标均达到国家标准水平，并研究了温度、蠕化率对蠕墨铸铁热疲劳性能的影响。
　　本研究在接近材料实际工况的试验条件下，不考虑外加机械应力的作用，应用自约束全自动冷热疲劳试验机模拟发动机的部分温度场，以蠕墨铸铁为研究对象，通过光学显微镜研究了由于外界温度的升降在材料内部产生的热应力而造成的裂纹萌生及其扩展机制。通过详细地跟踪观察、记录，系统测定在热疲劳过程中，20(←→)300℃与20(←→)600℃温度环境下，不同循环次数下不同蠕化率的蠕墨铸铁的裂纹萌生位置及扩展路径，分析了热裂纹的萌生与扩展机理，并与20(←→)300℃温度环境下的灰铸铁做对比。
　　在本实验研究条件下，得出以下研究结果:
　　(1)蠕墨铸铁工艺参数:①铁水成分范围:C3.6-3.7％; Si2.2-2.4％; Mn0.4-0.5％;S＜0.03％; Sn0.07％和Cu0.3-0.5％;②蠕化剂成分Mg3-5％，Re13-16％，加入量0.33-0.60％;③孕育剂成分Ba3-5％，加入量0.8％;④蠕化处理后包内温度1420-1440℃，静置1分钟后浇注，浇注时间10分钟。
　　(2)不同蠕化率的蠕墨铸铁中，石墨形态是不同的，石墨组织主要由球状、团状、团絮状、蠕虫状4种形态所构成。在热疲劳循环过程中，蠕虫状石墨接近片状石墨，尖端易产生应力集中，易产生裂纹;球状石墨圆整度较好，应力集中小，不易产生裂纹。灰铸铁中的片状石墨，尖端容易产生应力集中，产生裂纹的倾向更大。
　　(3)温度一定时，蠕墨铸铁的热疲劳性能与蠕化率有关。在一定范围内，蠕化率越高，热疲劳性能越好，但当蠕化率高于一定值，热疲劳性能开始下降。
　　(4)热疲劳试验中，温差越大，试样表层的膨胀和收缩量就越大，产生的压应力和拉应力就越大，热疲劳裂纹的萌生就越快。上限温度的升高显著降低了蠕墨铸铁的热疲劳寿命。温度对裂纹扩展速率也有重要影响，上限温度较低时，热疲劳裂纹扩展速率分为递增和递减两个阶段;上限温度较高时，扩展速率随裂纹长度的增加呈现逐步递增的趋势。
　　(5)试验温度300℃下，蠕化率在50-60％的蠕墨铸铁疲劳性能最差，但与之相比，同样条件下的灰铸铁在裂纹萌生时所需的冷热疲劳次数更少;在疲劳次数增加时，裂纹扩展的速率更快。所以通过比较可以得出，蠕化率高于50％的蠕墨铸铁，疲劳性能要优于灰铸铁。
　　(6)在热疲劳循环过程中，试样V型缺口是最大的热应力集中处，V型缺口附近体积膨胀所产生的相变应力和在加热、冷却过程中由于温度变化产生的热应力叠加，使得石墨与基体的结合被破坏，导致珠光体分解为铁素体，加速裂纹在该区域扩展。