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)燃機缸體和缸蓋主要的破壞形式之一[1]。據(jù)統(tǒng)計，大約有80%的失效形式都是由疲勞引起的[2]。目前內(nèi)燃機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)燃機缸蓋的生產(chǎn)，后者用于內(nèi)燃機缸體和缸蓋。由于RuT450擁有比RuT400更高的抗拉強度和硬度，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行軸向拉伸和高周疲勞試驗，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展機制，以期為提高柴油發(fā)動機的使用壽命提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

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)拉伸試驗使用Instron 5982電子萬能材料試驗機，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個試樣進行拉伸試驗。高周疲勞試驗使用電磁共振高頻疲勞試驗機(Rumul testronic 100 kN)，試驗溫度為25 ℃，應(yīng)力比為R=-1，載荷為正弦波形，終止壽命選取107，試驗頻率約110 Hz，疲勞強度通過升降法進行計算。

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。這是因為RuT450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的抗拉強度和屈服強度都高于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)，強度遠高于鐵素體，硬度適中，塑性和韌性較好，所以提高了材料的抗拉強度。對于鑄鐵材料，當(dāng)珠光體的面積分?jǐn)?shù)大于60%時，隨著珠光體含量的增加，材料的抗拉強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)計依據(jù))卻大于RuT400，RuT400疲勞壽命達到107的僅有3個應(yīng)力層級，而RuT450有5個應(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蠕蟲狀石墨。另外，RuT450的許多微裂紋直接在珠光體中擴展，而RuT400的微裂紋先是擴展到鐵素體再擴展到珠光體。

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為石墨尖端是應(yīng)力集中點，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擴展到珠光體。

2.4 蠕墨鑄鐵基體組織與抗拉強度之間的關(guān)系

通過上述分析可知，RuT400和RuT450的疲勞性能和抗拉強度的差別是兩者基體組織的不同造成的。珠光體強度為750～900 MPa，鐵素體強度為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度。由于石墨是脆性相且強度比基體低很多，因此將石墨的強度σg視為零。將朱正宇等[12]、張偉等[13]的試驗材料的各相含量和抗拉強度，代入式(1)和式(2)計算，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，材料的組織與抗拉強度的關(guān)系滿足串聯(lián)法則。珠光體含量在40%以上時，材料的組織與抗拉強度的關(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。

表4 串、并聯(lián)法則計算結(jié)果

為了探究抗拉強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)進行分析,得到抗拉強度與珠光體含量之間的關(guān)系如圖11中圓點所示?？梢?，隨著珠光體含量的增加，材料的抗拉強度遞增。因此，依照指數(shù)函數(shù)形式對其進行擬合，如圖11曲線所示，其關(guān)系式為：

圖11 抗拉強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，材料的抗拉強度遞增。這是由于當(dāng)珠光體含量較低時，鐵素體在基體組織中的比例較大，珠光體的強化作用不明顯，抗拉強度提高不明顯。隨著珠光體含量的增加，珠光體逐漸起主導(dǎo)作用，抗拉強度明顯提高。Zhang等[17]研究雙相復(fù)合材料的彈性模量時發(fā)現(xiàn)：當(dāng)基體彈性模量較小時，滿足串聯(lián)關(guān)系；當(dāng)基體彈性模量較大時，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，蠕墨鑄鐵的抗拉強度總體遞增。

2.5 高周疲勞機制

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)位錯運動的阻力，位錯不易于纏結(jié)和增殖；與珠光體相比，鐵素體的強度較低(180～280 MPa[18])，位錯更易增殖和纏結(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)擴展，裂紋尖端處位錯大量纏結(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，裂紋萌生后進入鐵素體區(qū)(軟相區(qū))，裂紋尖端在位錯纏結(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，部分裂紋進入珠光體區(qū)。由于珠光體中位錯釘扎效應(yīng)強，基體塑性差、強度高，裂紋進入珠光體后位錯對裂紋的緩沖作用較小，使裂紋更容易在珠光體中擴展，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度之間的關(guān)系

圖13中數(shù)據(jù)選自文獻[19]和[20]，與圖12類似，珠光體含量與疲勞強度之間也呈現(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，疲勞強度最低,其原因可能是由于疲勞壽命包括萌生壽命和擴展壽命。珠光體含量高時，可提高萌生壽命，而鐵素體含量高時，可提高擴展壽命。因此，存在一個臨界轉(zhuǎn)變量，即該珠光體含量的材料，萌生壽命與擴展壽命均受到一定程度的限制，從而整體制約了疲勞強度的提高。

圖13 疲勞強度和珠光體含量之間的關(guān)系

當(dāng)珠光體含量低時，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，再擴展到鐵素體。由于鐵素體中位錯受釘扎作用弱，易滑移，使得在裂紋附近產(chǎn)生大量的位錯纏結(jié)以阻礙微裂紋的擴展。因此，鐵素體含量高的材料擴展壽命提高。當(dāng)珠光體含量高時，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入珠光體，由于珠光體中位錯受釘扎作用強，不易滑移，所以微裂紋在擴展過程受到的阻力比在鐵素體中擴展受到的阻力小。因此，珠光體含量高時，萌生壽命提高。

總之，蠕墨鑄鐵的疲勞損傷機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，微裂紋擴展路徑主要是經(jīng)過鐵素體，符合鐵素體損傷機制。因此，疲勞壽命隨珠光體含量的減少而提高的原因是擴展壽命的提高。當(dāng)珠光體含量多于鐵素體時，微裂紋的擴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展遵循珠光體損傷機制。此外，鐵素體含量隨珠光體含量的增加而減少，對擴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展壽命的提高。觀察圖13發(fā)現(xiàn)，蠕墨鑄鐵最低疲勞強度所對應(yīng)的珠光體范圍為40%～60%,因此在實際生產(chǎn)中，若以疲勞強度為指標(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的抗拉強度比RuT400高，這是因為制備RuT450時冷卻速率高，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，蠕墨鑄鐵的抗拉強度呈指數(shù)關(guān)系提高，疲勞強度則先降后升。因此蠕墨鑄鐵的疲勞損傷機制隨基體組織的變化而變化。