RuT400蠕墨鑄鐵熱疲勞性能研究

姜愛龍 張孟梟 孟令健 龐建超 姜 宏 張少杰

(1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 100081; 2.中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016)

蠕墨鑄鐵(vermicular graphite iron, CGI)是最常見的鑄造材料之一，其鑄造性能接近灰鑄鐵，而熱穩(wěn)定性及力學(xué)性能又優(yōu)于球墨鑄鐵，壁厚敏感性比球墨鑄鐵和灰鑄鐵都小[1- 3]。因此，蠕墨鑄鐵在柴油發(fā)動機(jī)等關(guān)鍵構(gòu)件上應(yīng)用廣泛。柴油發(fā)動機(jī)在常規(guī)服役過程中，缸體承受較高溫度，頻繁的啟停對材料的熱疲勞性能提出了苛刻的要求[4- 6]。因此有必要對蠕墨鑄鐵的熱疲勞性能進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。本文以RuT400蠕墨鑄鐵為研究對象，對比分析了蠕墨鑄鐵在幾個不同熱疲勞循環(huán)溫度區(qū)間的熱疲勞性能，研究了裂紋萌生及擴(kuò)展的規(guī)律，為提高柴油發(fā)動機(jī)的工作壽命提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

試驗用蠕墨鑄鐵的化學(xué)成分如表1所示。機(jī)加工制備熱疲勞試樣，端部預(yù)制V型缺口，其尺寸如圖1所示。選取3個溫度區(qū)間(420～25 ℃、450～25 ℃、650～25 ℃)進(jìn)行試驗，每組取3個試樣。熱疲勞試驗過程為：井式爐加熱，水冷降溫，通過電機(jī)帶動試樣在爐腔內(nèi)和水中往復(fù)運(yùn)動，爐內(nèi)升溫時間為55 s，水冷時間為7 s，水溫控制在(25±3) ℃。熱循環(huán)一定次數(shù)后將試樣取下，沿V型缺口尖端方向打磨后拋光，采用光學(xué)顯微鏡觀察并記錄V型缺口處主裂紋長度并取平均值，裂紋長度的測量依據(jù)HB 6660—2011[7]進(jìn)行。采用Quanta 600型掃描電鏡觀察熱疲勞裂紋形貌及長度和試樣表面形貌，采用能譜儀(EDS)對裂紋內(nèi)化學(xué)成分進(jìn)行分析。

表1 蠕墨鑄鐵的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the vermicular graphite cast iron (mass fraction) %

圖1 熱疲勞試樣尺寸Fig.1 Dimension of the thermal fatigue sample

2 試驗結(jié)果

2.1 顯微組織

蠕墨鑄鐵的顯微組織如圖2所示，其中灰色部分為鐵素體基體，白亮部分為珠光體，黑色部分為石墨。石墨有兩種形態(tài)，即球狀和蠕蟲狀，蠕狀石墨聚集成團(tuán)簇狀。該蠕墨鑄鐵的蠕化率為80.12%，采用IPP軟件分析統(tǒng)計珠光體面積比例為74.33%，其余為鐵素體。

圖2 蠕墨鑄鐵的顯微組織Fig.2 Microstructure of the vermicular graphite cast iron

2.2 裂紋長度

在420～25 ℃循環(huán)不同次數(shù)試樣的裂紋形貌如圖3(a～c)所示。圖中黑色蠕蟲狀組織為石墨，白亮基體組織為鐵素體和珠光體。循環(huán)400周時，試樣V型缺口尖端形成了細(xì)小的裂紋；循環(huán)1 500周次時，裂紋長度明顯增加；循環(huán)2 000周時，裂紋長度“減小”。但在實際熱疲勞試驗過程中，材料自身產(chǎn)生的能量不足以使裂紋自愈合。該裂紋長度隨著循環(huán)周次增加而“減小”的現(xiàn)象，是由于熱疲勞上限溫度較低(420 ℃)，材料僅形成了表面裂紋，這種裂紋在打磨過程中易被磨掉，且在較低周次形成的裂紋沒有貫穿試樣表面(或達(dá)到一定深度)所致。

在450～25 ℃循環(huán)不同次數(shù)試樣的裂紋形貌如圖3(d～f)所示。循環(huán)600周時，裂紋不明顯，裂紋長度近似為蠕蟲狀石墨長度；循環(huán)1 500周時，可見一些較細(xì)小的主裂紋；循環(huán)2 000周時，該裂紋長度明顯增加。試樣V型缺口尖端是應(yīng)力集中點(diǎn)，裂紋產(chǎn)生方式為石墨與基體結(jié)合界面處脫黏，然后通過橋聯(lián)形成主裂紋。

在650～25 ℃循環(huán)不同次數(shù)試樣的裂紋形貌如圖3(g～i)所示。循環(huán)600周時，裂紋不明顯；循環(huán)1 500周時，形成了粗大的主裂紋，主裂紋長度約668 mm；循環(huán)2 000周時，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。對比3種情況可以看出，在較高熱循環(huán)上限溫度下裂紋擴(kuò)展速度較快，相同周次下裂紋擴(kuò)展長度與溫度正相關(guān)。但在較低熱循環(huán)上限溫度(420 ℃)下，材料僅形成了表面裂紋，而表面的脫粘與橋聯(lián)使得在光學(xué)顯微鏡下無法準(zhǔn)確測量裂紋長度。

圖3 熱循環(huán)不同周次的試樣裂紋形貌Fig.3 Crack morphologies of the samples of different thermal cycling different times

裂紋長度與循環(huán)周次之間的線性關(guān)系如圖4所示。其中420 ℃條件下，由于裂紋僅為表面裂紋，因此數(shù)據(jù)不具有統(tǒng)計學(xué)意義。450及650 ℃條件下，其對應(yīng)的裂紋長度隨循環(huán)周次變化的定量關(guān)系可表達(dá)為：

a=C1+C2N

(1)

圖4 循環(huán)周次與裂紋長度之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between cycle number and crack length

式中：a為裂紋長度，N為熱循環(huán)次數(shù)，C1和C2分別為截距和斜率。采用最小二乘法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得在650～25 ℃及450～25 ℃條件下，C1分別為-41.5和66.0，C2分別為0.67和0.22。從圖4可以看出，循環(huán)周次較少時，裂紋長度相差不大；但在650～25 ℃條件下，曲線斜率明顯增加，隨著循環(huán)周次的增加，裂紋長度差距逐漸變大，裂紋增長加快。

2.3 裂紋形貌

試樣在不同循環(huán)溫度區(qū)間熱循環(huán)2 500周后的裂紋SEM形貌如圖5所示。420～25 ℃熱循環(huán)條件下，幾乎看不到裂紋，這也說明了光學(xué)顯微鏡所觀察到的裂紋均為表面裂紋，石墨與基體界面處也無明顯氧化現(xiàn)象；450～25 ℃熱循環(huán)條件下，可見明顯的脫粘現(xiàn)象，V型缺口尖端處已萌生了數(shù)條微小裂紋。650～25 ℃熱循環(huán)條件下，氧化現(xiàn)象已十分明顯，主裂紋兩側(cè)可見較厚的氧化層。

圖5 試樣在不同溫度區(qū)間熱循環(huán)2 500周后的裂紋SEM形貌Fig.5 SEM morphologies of cracks in samples after thermal cycling 2 500 times in different temperatures ranges

對裂紋尖端進(jìn)行EDS分析，結(jié)果如6所示。可見在420～25 ℃熱循環(huán)后，僅在V型缺口尖端出現(xiàn)表層氧化，附近蠕蟲狀石墨周圍幾乎無氧化現(xiàn)象；450～25 ℃熱循環(huán)后，蠕蟲狀石墨周圍已出現(xiàn)氧化，但氧含量的富集程度較??；650～25 ℃熱循環(huán)后，裂紋兩側(cè)氧含量明顯增加，主裂紋兩側(cè)的石墨脫粘處也出現(xiàn)了氧的富集，這也進(jìn)一步表明裂紋尖端的氧化現(xiàn)象對裂紋長度有明顯的影響。

2.4 分析與討論

熱疲勞與常規(guī)應(yīng)力疲勞不同，熱疲勞裂紋不是由于循環(huán)滑移導(dǎo)致的[7]，不完全是穿晶裂紋。熱疲勞裂紋是由于熱膨脹和收縮受到限制而產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力造成的，通常是沿晶斷裂與穿晶斷裂的混合。影響材料抗熱疲勞性能的因素很多，包括殘余應(yīng)力、導(dǎo)熱系數(shù)、抗拉強(qiáng)度、第二相等[8- 9]。對于蠕墨鑄鐵，因石墨與鐵素體基體的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力是其開裂的主要原因。

鐵素體共析轉(zhuǎn)變點(diǎn)為727 ℃，因此在3種熱循環(huán)試驗溫度下均不會發(fā)生相變。420和450 ℃熱循環(huán)形成的熱裂紋差異明顯。有報道指出，蠕墨鑄鐵在400與450 ℃之間存在力學(xué)性能的轉(zhuǎn)變點(diǎn)，超過446 ℃左右時鐵素體強(qiáng)度會發(fā)生明顯變化，這是因為晶界滑動的臨界溫度為446 ℃[10- 11]。在420 ℃時，晶界滑動困難，在沒有外加載荷作用時，幾乎不會開動，在冷熱循環(huán)過程中，石墨和鐵素體的相界首先開裂，隨后向鐵素體區(qū)擴(kuò)展。但裂紋不沿晶界開裂，冷熱變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力又不足以貫穿鐵素體晶粒。而珠光體的裂紋擴(kuò)展門檻值高于鐵素鐵，所以熱裂紋也不足以擴(kuò)展貫穿珠光體區(qū)，因此，裂紋沒有擴(kuò)展路徑，僅形成了表面裂紋。在450 ℃時，石墨和鐵素體相界開裂后，裂紋向鐵素體區(qū)擴(kuò)展，此時滿足晶界滑動條件，晶界開動，裂紋沿鐵素體晶界擴(kuò)展，隨著循環(huán)周次的增加，裂紋表面與氧接觸，在水冷條件下快速生銹產(chǎn)生表面氧化層。表面氧化層為硬脆相[12]，與基體組織更易發(fā)生變形不均，因此，裂紋隨著循環(huán)周次的增加而緩慢增長。650 ℃熱循環(huán)的試樣的開裂機(jī)制與450 ℃熱循環(huán)的相同，但溫度的升高加快了裂紋的擴(kuò)展速率，同時也降低了基體的裂紋抗力，因此更易于形成一條完整貫穿基體的主裂紋。圖5(f)中可以看到明顯的裂紋偏折，這也說明裂紋形成機(jī)制是石墨與基體脫粘，微裂紋連接形成主裂紋。

3 結(jié)論

本文對比分析了RuT400蠕墨鑄鐵在不同循環(huán)溫度區(qū)間的熱疲勞性能，研究了裂紋萌生及擴(kuò)展的規(guī)律，并分析了不同開裂現(xiàn)象的成因，得到如下結(jié)論：

(1)在450～25 ℃及650～25 ℃熱疲勞循環(huán)溫度下，疲勞裂紋長度隨著循環(huán)周次的增加呈線性增長，且溫度越高，增長越快。

(2)在420～25 ℃循環(huán)溫度下，僅形成了表面裂紋，裂紋沒有貫穿材料基體，其原因是該溫度尚不足以引起晶界滑動。當(dāng)上限溫度超過450 ℃時，晶界滑動促進(jìn)了裂紋的形成。

(3)在650～25 ℃循環(huán)溫度下，裂紋擴(kuò)展速率加快，基體的裂紋抗力降低，因此更易于形成一條完整貫穿基體的主裂紋。

(4)高溫?zé)嵫h(huán)條件下沿裂紋擴(kuò)展路徑兩側(cè)可見明顯的氧化層，主裂紋偏折進(jìn)一步證明了裂紋的形成機(jī)制，即石墨和鐵素體相界首先開裂，隨后向鐵素體區(qū)擴(kuò)展，多個脫粘微裂紋形成主裂紋。