球墨鑄鐵高度疲勞損傷力學性能的研究
1 引言
球墨鑄鐵由于其制造工藝和組織的特點，其疲勞性能的分散度相對比較大。因此，科技工作者對球墨鑄鐵的疲勞可靠性進行了大量的研究。目前，其研究方法有兩中：一是采用傳統(tǒng)的測量S—N曲線的方法，研究球墨鑄鐵的疲勞極限，為無限壽命設計提供依據(jù)，以及運用線性累積理論評價構(gòu)件的疲勞壽命；二是采用斷裂力學的方法，研究基本組織、石墨球?qū)η蚰T鐵裂紋擴展特性的影響。斷裂力學從構(gòu)件本身存在的裂紋出發(fā)，研究裂紋在交變載荷作用下裂紋擴張?zhí)匦�，對傳統(tǒng)疲勞壽命計算方法具有重大發(fā)展。但是，斷裂力學只能研究宏觀裂紋出現(xiàn)到完全斷裂這一過程中裂紋的擴展規(guī)律。
根據(jù)疲勞理論，材料的疲勞斷裂分為三個階段：裂紋萌生、裂紋擴展和斷裂。在很大程度上，疲勞壽命取決于從微觀缺陷到出現(xiàn)宏觀裂紋這一過程。上述兩種研究方法均不能分析宏觀裂紋出現(xiàn)以前材料中缺陷或微裂紋的形成及發(fā)展對材料力學性能的影響。損傷力學是研究宏觀可見缺陷或裂紋出現(xiàn)以前的力學過程的科學，這為客觀全面的研究材料疲勞損傷問題提供了一套嶄新的方法。
力學工作者大多利用損傷力學的基本原理，采用數(shù)值分析和有限元的方法，對材料的疲勞壽命及其預測進行了研究。Italy學者研究了金屬材料在疲勞過程中表面疲勞裂紋的發(fā)展規(guī)律。也可利用由為裂紋產(chǎn)生引起的表面形貌變化，諸如高度差、相關(guān)長度等試樣表面粗糙參數(shù)來度量疲勞損傷的程度。施明澤利用測量彈性模具的方法研究了40Cr鋼的高周疲勞損傷。利用測量疲勞過程中的材料表面硬度變化也可表征45#鋼的疲勞損傷問題。
本文利用連續(xù)測量疲勞試棒電阻的方法，研究了球墨鑄鐵的高周疲勞損傷變化規(guī)律。
2 試驗過程
2.1 試驗材料
本實驗采用中頻感應電爐熔煉鐵液，沖入法球化處理，球化劑為FeSiMg7RE3合金，以75SiFe為孕育劑，采用濕砂型澆鑄U型試塊。采用球化衰退的方法，獲得不同的球化率試樣，化學成分為3.65%C、2.74%Si、0.16%Mn、0.015%P、0.015%S，球化率如表1所示。本實驗采用鐵素體、珠光體、珠光體{50%}忽然鐵素體{50%}混合基體的球墨鑄鐵。
表1 試樣的球化率
2.1 疲勞試驗與載荷的選取
疲勞試驗在INSTRON—1603型高周疲勞實驗機上進行。載荷采用拉—拉加載方式，取疲勞比為R=0.1，系統(tǒng)的振動頻率為120Hz左右。由于不同基體和球化率的球墨鑄鐵具有不同的疲勞強度，為使試驗具有可比性，本試驗均采用屈服強度的80%作為最大強度載荷。采用光滑圓柱疲勞試樣，各種試樣的載荷如表2所示。
2.2 疲勞試棒電阻連續(xù)測量
首先，在疲勞試樣的兩端通以5A恒定的直流電流。然后，在試樣的兩端測量電位；電位經(jīng)過放大后，由計算機自動采樣記錄電位的變化和疲勞時間。將計算機記錄的電位值換算成相應疲勞時間的電阻值。由于試樣在加工過程中，每根試樣的直徑不可能完全一樣，因此在計算過程中，為了使試驗數(shù)據(jù)具有可比性，將每根球墨鑄鐵疲勞試樣換算成直徑問8mm，長度為50mm的圓柱體的電阻。
2.3 損傷變量的計算
試驗前，首先測量出不同球墨鑄鐵疲勞試樣的電阻值Ro。根據(jù)疲勞試驗中得到的不同疲勞周數(shù)下的險阻值，有式D=1-Ro/R即可計算不同疲勞周數(shù)下的損傷變量。式中，Ro為試樣疲勞前的電阻；是疲勞損傷后的電阻。
表2 不同試樣的疲勞載荷
3 試驗結(jié)果及分析
3.l 球墨鑄鐵的高周疲勞損傷演變規(guī)律
球墨鑄鐵的高周疲勞損傷演變規(guī)律如圖l、2和3所示。由圖可見，不論基體如何，首先，損傷變量均隨疲勞比的增加而緩慢增加；當疲勞比超過0．4后，損傷變量基本穩(wěn)定；當疲勞比接近于l時，損傷變量急速增加。這說明球墨鑄鐵在高周疲勞條件下，疲勞斷裂前，沒有明顯的損傷征兆。一旦出現(xiàn)疲勞裂紋，裂紋在很短的時間內(nèi)，迅速擴展，直至斷裂。
3．2 疲勞斷口分析
從宏觀上看，疲勞斷口附近無有明顯的塑性變形，屬于脆性斷裂。另外，不管是珠光體、鐵素體，還是混合基體的球墨鑄鐵，其疲勞斷口存在著明顯的三個區(qū)域：疲勞裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)，它們分別代表了疲勞破壞的不同歷程，如圖4所示。
用肉眼或低倍放大鏡就能大致判別疲勞核心的位置，它是疲勞破壞的起點。在疲勞斷口上，它是一個光滑、細潔的扇形小區(qū)域。實際上，真正的疲勞源大致位于“扇”柄處的裂紋萌生和微觀裂紋擴展處。大部分的光亮區(qū)是當裂紋長在1mm以下時裂紋緩慢擴展形成的，這一階段裂紋張開位移小，擴展緩慢，反復的張開和閉合使斷口兩面相互擠磨，形成了斷口上最細的區(qū)域。在此區(qū)域，可看到以疲勞核心為中心的貝紋線向外發(fā)射，還可看到向四周輻射的放射臺階或線痕(圖5)，并可延伸到很遠的地方，這說明疲勞裂紋不是簡單的一個宏觀平面，而是沿著一系列具有高度差的宏觀平面向周圍擴展，這時在核心區(qū)域內(nèi)存在著若干疲勞源。對裂紋源區(qū)的進一步分析可知，裂紋源主要是縮松和畸變的石墨，如圖6所示。
疲勞裂紋擴展區(qū)是疲勞斷口上的重要區(qū)域，它占據(jù)了斷口的大部分區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，表面比疲勞核心區(qū)粗糙、發(fā)暗，可見到呈現(xiàn)貝紋狀、蛤殼狀或海灘波紋狀的條紋。這些條紋以裂紋核心為中心，向四周擴散，形成一簇弧形條紋，它們垂直于裂紋擴展方向。裂紋形成后，當拉應力作用時，裂紋張開，尖端鈍化，卸載時閉合，裂紋尖端重新銳化，再一次循環(huán)受拉，由于尖端的應力集中，發(fā)生亞臨界擴展，便留下一條條疲勞輝紋(圖7)，輝紋基本上平行，略帶彎曲呈破浪型，并與局部裂紋擴展方向相垂直。每一條裂紋代表一次載荷循環(huán)，裂紋個數(shù)代表載荷循環(huán)次數(shù)。另外；在同一小斷塊上的疲勞裂紋是連續(xù)而平行的，但與相鄰小塊上的輝紋不連續(xù)，不平行，如圖8所示。需要指出的是，在裂紋擴展階段的后期，由于裂紋尖端應力強度因子加大，出現(xiàn)了韌性撕裂狀態(tài)的斷口。
在本試驗條件下，由于所選疲勞載荷較低，屬于低應力疲勞，故疲勞裂紋充分擴展，疲勞區(qū)大，而瞬斷區(qū)小。在瞬斷區(qū)，珠光體基體和混合基體的球墨鑄鐵，斷口出現(xiàn)脆性斷裂，而對鐵素體基體球墨鑄鐵瞬斷區(qū)斷口出現(xiàn)韌性斷裂，如圖9所示。這一點與單向拉伸斷裂的斷口一致。