Mater. Sci. Eng. A：基于微觀組織和損傷機制的蠕墨鑄鐵的疲勞強度模型

【引言】

疲勞強度是工程結構材料設計的關鍵指標，所以在科學研究和工程應用中都有重要意義。蠕墨鑄鐵是高功率密度柴油機缸蓋的理想材料，主要由蠕蟲狀石墨(少量球狀石墨)、鐵素體和珠光體組成。蠕墨鑄鐵可以認為是多孔材料，軟脆的石墨是疲勞破壞的萌生位置(薄弱區域)。此外，提高珠光體的含量可以提高抗拉強度，但是否能提高疲勞強度尚需進一步研究。

【成果簡介】

近日，中國科學院金屬研究所的張哲峰和龐建超(共同通訊)在Materials Science and Engineering: A上發表了最新的研究成果“Fatigue strength model based on microstructures and damage mechanism of compacted graphite iron”。在該文中，研究了蠕墨鑄鐵的微觀組織、抗拉強度和疲勞強度之間的關系，并探究了其影響機制。

【圖文導讀】

圖1 疲勞試樣的尺寸

(a)常規疲勞試樣尺寸

(b)原位疲勞試樣尺寸

圖2 三種蠕墨鑄鐵的微觀組織

(a)和(d)試樣I的微觀組織

(b)和(e)試樣II的微觀組織

(c)和(f)試樣III的微觀組織

圖3 試樣三種相的面積百分含量和鐵素體顯微硬度對比

圖4 三種試樣的工程拉伸應力-應變曲線

圖5 高周疲勞性能對比

(a) 原始數據

(b) 根據Basquin關系擬合的應力幅和對數平均疲勞壽命的關系

(c) Basquin關系參數和抗拉強度之間關系

(d) 疲勞強度和抗拉強度之間關系

圖6 試樣I的疲勞斷口形貌

(a) 宏觀斷口形貌

(b) 圖(a)中區域1的放大圖

(c) 圖(b)中區域1的放大圖

(d) 沿疲勞裂紋剖面的微觀組織特征

圖7 試樣1原位疲勞的表面形貌

(a)-(d) 不同疲勞周次下的表面形貌

(e)-(f) 斷裂以后的表面形貌

圖8 微觀組織對疲勞斷裂機理和疲勞強度的影響

(a) 疲勞裂紋萌生和擴展示意圖

(b) CGF(裂紋-石墨-鐵素體)模型

(c) 疲勞強度和鐵素體/石墨面積百分比的擬合曲線

(d) 抗拉強度和疲勞強度的關系示意圖

【小結】

本文主要研究了三種蠕墨鑄鐵的高周疲勞性能。同時，利用SEM觀察疲勞斷口形貌和原位疲勞行為研究了疲勞斷裂機制。主要結論如下：

(1) 蠕墨鑄鐵的疲勞強度主要取決于鐵素體和石墨的面積百分比以及鐵素體的疲勞強度，這與抗拉強度隨著珠光體面積百分比的增加而增大的優化方法不同。
(2) 減少石墨的面積百分比或者增加珠光體的百分比可以提高抗拉強度。然而，增加珠光體的面積百分比不一定能提高疲勞強度，甚至可能會降低，這是因為鐵素體/石墨的面積百分比降低。因此，隨著抗拉強度的提高，疲勞強度先增加后降低。
(3)基于微觀組織和斷裂機理，提出了蠕墨鑄鐵的疲勞強度預測模型。

以上表明：蠕墨鑄鐵的疲勞強度既受其抗拉強度影響，也受其微觀組織中最關鍵的缺陷尺寸影響。其中抗拉強度取決于其平均組織對材料的強化能力，而最關鍵的缺陷是導致其疲勞裂紋萌生的主要位置。因此，為了提高金屬材料的疲勞強度，既需要對其組織進行合理控制，保證其最優的強韌性能，更需要控制有害缺陷的尺寸大小。

文獻鏈接：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)。

本文由材料人編輯部金屬組 楊樹 供稿，材料牛編輯整理。

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