Mater. Sci. Eng. A：基于微观组织和损伤机制的蠕墨铸铁的疲劳强度模型

【引言】

疲劳强度是工程结构材料设计的关键指标，所以在科学研究和工程应用中都有重要意义。蠕墨铸铁是高功率密度柴油机缸盖的理想材料，主要由蠕虫状石墨(少量球状石墨)、铁素体和珠光体组成。蠕墨铸铁可以认为是多孔材料，软脆的石墨是疲劳破坏的萌生位置(薄弱区域)。此外，提高珠光体的含量可以提高抗拉强度，但是否能提高疲劳强度尚需进一步研究。

【成果简介】

近日，中国科学院金属研究所的张哲峰和庞建超(共同通讯)在Materials Science and Engineering: A上发表了最新的研究成果“Fatigue strength model based on microstructures and damage mechanism of compacted graphite iron”。在该文中，研究了蠕墨铸铁的微观组织、抗拉强度和疲劳强度之间的关系，并探究了其影响机制。

【图文导读】

图1 疲劳试样的尺寸

(a)常规疲劳试样尺寸

(b)原位疲劳试样尺寸

图2 三种蠕墨铸铁的微观组织

(a)和(d)试样I的微观组织

(b)和(e)试样II的微观组织

(c)和(f)试样III的微观组织

图3 试样三种相的面积百分含量和铁素体显微硬度对比

图4 三种试样的工程拉伸应力-应变曲线

图5 高周疲劳性能对比

(a) 原始数据

(b) 根据Basquin关系拟合的应力幅和对数平均疲劳寿命的关系

(c) Basquin关系参数和抗拉强度之间关系

(d) 疲劳强度和抗拉强度之间关系

图6 试样I的疲劳断口形貌

(a) 宏观断口形貌

(b) 图(a)中区域1的放大图

(c) 图(b)中区域1的放大图

(d) 沿疲劳裂纹剖面的微观组织特征

图7 试样1原位疲劳的表面形貌

(a)-(d) 不同疲劳周次下的表面形貌

(e)-(f) 断裂以后的表面形貌

图8 微观组织对疲劳断裂机理和疲劳强度的影响

(a) 疲劳裂纹萌生和扩展示意图

(b) CGF(裂纹-石墨-铁素体)模型

(c) 疲劳强度和铁素体/石墨面积百分比的拟合曲线

(d) 抗拉强度和疲劳强度的关系示意图

【小结】

本文主要研究了三种蠕墨铸铁的高周疲劳性能。同时，利用SEM观察疲劳断口形貌和原位疲劳行为研究了疲劳断裂机制。主要结论如下：

(1) 蠕墨铸铁的疲劳强度主要取决于铁素体和石墨的面积百分比以及铁素体的疲劳强度，这与抗拉强度随着珠光体面积百分比的增加而增大的优化方法不同。
(2) 减少石墨的面积百分比或者增加珠光体的百分比可以提高抗拉强度。然而，增加珠光体的面积百分比不一定能提高疲劳强度，甚至可能会降低，这是因为铁素体/石墨的面积百分比降低。因此，随着抗拉强度的提高，疲劳强度先增加后降低。
(3)基于微观组织和断裂机理，提出了蠕墨铸铁的疲劳强度预测模型。

以上表明：蠕墨铸铁的疲劳强度既受其抗拉强度影响，也受其微观组织中最关键的缺陷尺寸影响。其中抗拉强度取决于其平均组织对材料的强化能力，而最关键的缺陷是导致其疲劳裂纹萌生的主要位置。因此，为了提高金属材料的疲劳强度，既需要对其组织进行合理控制，保证其最优的强韧性能，更需要控制有害缺陷的尺寸大小。

文献链接：Fatigue strength model based on microstructures and damage mechanism of compacted graphite iron(Mater. Sci. Eng. A ,2018, DOI: 10.1016/j.msea.2018.03.110)。

本文由材料人编辑部金属组 杨树 供稿，材料牛编辑整理。

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