灰鑄鐵材料的靜力學性能與疲勞性能

張錦;賈成璽;馬榮華【摘要】采用不同的碳當量，對某發(fā)動機用灰鑄鐵材料的化學成分進行了優(yōu)化改進,改進前硅碳含量比cSi/cC=0.63,改進后硅碳含量比cSi/cC=0.7左右，對改進前后附鑄試棒的靜力學性能和疲勞性能進行了檢測.結果表明：當碳當量cCE=3.80%(質量分數(shù))、硅碳含量比cSi/cC=0.7左右時，灰鑄鐵材料的各項性能均處于較好狀態(tài)；硅碳含量比cSi/cC高的材料，其彈性模量也高,而抗拉強度和規(guī)定總延伸強度又均隨彈性模量的提高而提高；相同疲勞環(huán)境下，彈性模量高的材料，其疲勞循環(huán)周次也高；經(jīng)改進后，試驗灰鑄鐵材料的抗拉強度在330~350MPa、彈性模量在185000-195000MPa,拉拉疲勞極限在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.【期刊名稱】《理化檢驗-物理分冊》【年(卷)，期】2016(052)008【總頁數(shù)】4頁(P567-569,588)【關鍵詞】灰鑄鐵;硅碳含量比;抗拉強度;彈性模量;規(guī)定總延伸強度;疲勞循環(huán)周次;疲勞極限【作者】張錦;賈成璽;馬榮華【作者單位】寧夏共享集團股份有限公司檢測中心，銀川750021;寧夏共享集團股份有限公司檢測中心，銀川750021;寧夏共享集團股份有限公司檢測中心，銀川750021【正文語種】中文【中圖分類】TG142.1;TG115.1發(fā)動機用灰鑄鐵材料在服役過程中不僅受到靜力載荷的作用，還會受到遠小于靜強度的交變載荷的作用，所以材料不僅要有一定的靜強度，還必須要有一定的抗疲勞性能。用戶規(guī)范要求：某發(fā)動機用灰鑄鐵件35mm厚壁處的抗拉強度Rm>310MPa,同時要對此材料的疲勞性能進行研究。為此，筆者通過參閱相關資料進行分析，對此材料的化學成分進行了優(yōu)化改進，并對其靜力學性能和疲勞性能進行了研究。根據(jù)規(guī)范要求，采用鑄件壁厚35mm處的附鑄試塊進行試驗。實際生產(chǎn)初期，對附鑄試塊按照ASTME8-2015加工成標準拉伸試樣，在室溫下檢測其靜力學性能指標，結果表明抗拉強度平均值低于用戶規(guī)范要求的310MPa。該附鑄試塊的化學成分及力學性指標平均值見表1中的改進前試驗結果，可以看出改進前碳當量cCE=3.79%(質量分數(shù)，下同)，硅碳含量比cSi/cC=0.63。經(jīng)查閱資料，當碳當量cCE=3.8%時，有如下結論。當硅碳含量比cSi/cC從0.5-0.7T0.9變化時，鑄鐵組織出現(xiàn)從珠光體+共晶萊氏體+E型石墨-珠光體+片狀石墨-珠光體+鐵素體+D型石墨變化［1］。當硅碳含量比cSi/cC從0.5-0.7-0.9變化時，鑄鐵的抗拉強度呈拋物線狀變化，硬度呈下降趨勢。在cSi/cC=0.7時，抗拉強度最大為357MPa，硬度為238HB［1］。⑶硅錳含量差值cSi-cMn一般控制在1.1%~1.4%，低于1.4%時材料強度變化不大，相同硅錳含量差值cSi-cMn，硅碳含量比cSi/cC高的材料其強度也較高［2］。根據(jù)以上結論，選擇不同碳當量cCE化學成分，并將硅碳含量比cSi/cC控制在0.7左右進行優(yōu)化改進試驗，實測化學成分見表1中改進后1,2,3試驗結果。室溫下檢測改進后附鑄試塊的靜態(tài)力學性能指標，其平均值見表1,同時求出每種成分附鑄試塊的硅碳含量比cSi/cC、硅錳含量差值cSi-cMn、共晶度、成熟度、硬化度、品質等填入表1。2.1抗拉強度檢測結果分析對表1中改進前后灰鑄鐵材料的抗拉強度檢測結果分析如下。改進后硅碳含量比cSi/cC提高，材料抗拉強度提高，滿足用戶規(guī)范要求。硅碳含量比cSi/cC在0.7左右時，材料抗拉強度平均值在330MPa左右，實際最大抗拉強度在350MPa左右，與文獻資料一致。硅碳含量比cSi/cC在0.7左右變化不大時，硅錳含量差值cSi-cMn低的材料強度稍高。⑷當碳當量cCE=3.80%、硅碳含量比cSi/cC=0.7時，材料強度較高，而且適宜的化學成分使共晶度為0.97、成熟度為1.53、硬化度為1.10、品質系數(shù)為1.39,均處于較好狀態(tài)。⑸當碳當量控制較高，cCE=3.86%時，硅碳含量比cSi/cC在0.7左右時，材料平均抗拉強度略有下降，但共晶度較高。以上結論是由于高的硅碳含量比cSi/cC，增加了SiO2析出量，增加了異質核心，促進了初生奧氏體的形成，共晶團數(shù)量增加，石墨析出減少，削弱了石墨對基體的割裂作用，從而材料強度提高；高的硅含量提高了共晶轉變臨界冷卻速率，促進石墨化，減少白口化，減少D型和E型石墨的析出；同時硅含量高，固溶在奧氏體及鐵素體里的硅含量也會增加，固溶強化作用提高。2.2彈性模量、規(guī)定總延伸強度檢測結果分析利用電子拉伸試驗機對改進前后材料的抗拉強度進行檢測的同時，還根據(jù)GB/T22315-2008《金屬材料彈性模量和泊松比試驗方法》檢測了材料的彈性模量和規(guī)定總延伸強度。結果表明，硅碳含量比cSi/cC高的材料，其抗拉強度Rm高，彈性模量E也高，如圖1所示。而彈性模量E更能反映材料在工作應力和殘余應力作用下抵抗變形的能力，也反映了材料抵抗疲勞的能力。彈性模量同規(guī)定總延伸強度具有更高的相關性，如圖2所示。隨著彈性模量E的提高，規(guī)定總延伸強度Rt0.07提高，而資料顯示Rt0.07能代替拉壓疲勞極限［3］，也就是說硅碳含量比cSi/cC提高，材料的彈性模量提高，規(guī)定總延伸強度Rt0.07提高，抗疲勞性能隨之提高。2.3疲勞性能檢測驗證根據(jù)6日/丁3075-2008《金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法》進行疲勞檢測驗證試驗［4］。取兩組試棒（每組6根，依次編號為1-1,1-2,將表2中第1組與第2組相同應力幅的試驗結果進行比較，比如1-1試樣與2-1試樣進行比較、1-2試樣與2-2試樣進行比較。結果發(fā)現(xiàn)，彈性模量高的試樣，其規(guī)定總延伸強度Rt0.07高，疲勞循環(huán)周次也高。表2試驗結果表明，試棒疲勞循環(huán)周次達107次時，其應力幅在47.5~51MPa,并且試棒的抗拉強度基本在350MPa左右。當灰鑄鐵材料的碳當量cCE=3.8%、硅碳含量比cSi/cC=0.7時，其抗拉強度可達330~350MPa;適宜的化學成分使灰鑄鐵材料的共晶度為0.97、成熟度為1.53、硬化度為1.10、品質系數(shù)為1.39，均處于較好狀態(tài)。硅碳含量比cSi/cC高的材料，其彈性模量也高，而抗拉強度和規(guī)定總延伸強度又均隨彈性模量的提高而提高。⑶相同疲勞環(huán)境下，彈性模量和抗拉強度高的材料，其疲勞循環(huán)周次和拉拉疲勞極限也高。⑷經(jīng)化學成分改進后，試驗灰鑄鐵材料的抗拉強度在330~350MPa、彈性模量在185000~195000MPa，拉拉疲勞極限在47.5~51MPa?！鞠嚓P文獻】夏青，劉亞民,姚定邦.Si/C對灰鑄鐵組織和性能的影響[J].鑄造技術,2003,24(1):16-17.沈永華，潘東杰,黃列群.高強度灰鑄鐵的研究進展[J