QT400高温低周疲劳性能试验研究

张小伍 马新博 王丽艳 田 宇 李海霞

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江150046)

近些年来，国内外对QT400球墨铸铁进行了大量的试验研究工作。分别从球墨铸铁的合金元素的添加[1]、材料微观结构[2]和热处理工艺[3]等方面对其性能的影响进行深入研究，并且对常温下QT400球墨铸铁的疲劳裂纹扩展[4]、断裂机理[5]等方面也进行了大量的试验研究。但高温条件下QT400球墨铸铁的强度和疲劳性能还有待于进一步的研究和讨论。本文通过进行QT400球墨铸铁400℃以下不同温度的拉伸试验和300℃下不同应变幅值的低周疲劳试验，深入研究QT400球墨铸铁的疲劳性能。

1 试验方法

试验所用材料为国内某厂家生产的QT400-18球墨铸铁，符合国家标准GBT 1348—2009球墨铸铁件中的各项要求。按照国家标准GBT 228.1—2010《金属材料拉伸试验：第1部分：室温试验方法》和GBT 15248—2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》要求加工拉伸试样和低周疲劳试样，在MTS810-25t电液伺服材料试验机上进行不同温度下的拉伸试验和低周疲劳试验，使用SEM扫描电镜观察拉伸断口处石墨颗粒的特征和基体的变形。试验机最大动态载荷250 kN，应变控制范围-10%～+30%，试验温度20～400℃。

2 结果和分析

2.1 不同温度下QT400球墨铸铁的拉伸性能

本文对QT400进行了20℃至400℃下不同温度的拉伸试验。结果表明，当试验温度升高时，QT400的强度和塑性降低。同时，在ε≤0.1%的范围内，100℃至300℃区间QT400力学性能稳定，如图1所示。

图1 QT400在不同温度下的应力应变曲线Figure 1 Stress-strain curves of QT400 at different temperatures

QT400中石墨的形态为球形，拉伸的过程中，断口处石墨球沿拉伸轴向发生变形、破碎，其变形量随QT400塑性降低而减小，如图2所示。图2(a)为100℃下拉伸断口剖面的SEM图像，断口处的球状石墨明显地沿拉伸方向轴向变形、拉长，在非断口区域石墨变形量较小。当试验温度升至300℃时，如图2(b)所示，球形石墨沿轴向的变形量减小。当试验温度升至400℃时，球形石墨无变形特征，如图2(c)所示，此时QT400的断后伸长率和断面收缩率分别从100℃时的21%、24%下降到400℃时的12.4%、11%。

(a)100℃ (b)300℃ (c)400℃图2 QT400不同温度拉伸试验断口微观SEM图像Figure 2 SEM images of tensile test fracture of QT400 at different temperatures

(a)100℃ (b)300℃ (c)400℃图3 QT400不同温度拉伸试验断口形貌SEM图像Figure 3 SEM images of tensile test fracture of QT400 at different temperatures

图4 300℃下QT400静态和循环应力曲线Figure 4 Static and cyclic stress curves of QT400 at 300℃

图3为QT400不同温度拉伸试验的断口形貌SEM图像。如图3所示，在拉伸的过程中由于石墨球和基体发生脱离或是基体局部变形，在石墨球周围形成显微空洞，进而发展成裂纹，形成撕裂棱。试验温度为100℃时，断口处存在少量韧窝，球形石墨发生变形、破碎。当试验温度升高，QT400塑性降低，断口出现准解理断裂的脆性断裂特征，断口处存在撕裂棱，球形石墨变形量较小，且大量石墨颗粒保存了完整的球形。

2.2 在300℃下QT400球墨铸铁的疲劳性能

QT400作为汽缸材料的设计温度在-10℃至300℃之间。因此，本文进行300℃下不同应变量的疲劳试验，试验控制方式为应变控制。QT400静态拉伸曲线与循环应力-应变曲线如图4所示，由图4可知，QT400在本试验的应变范围内具有明显的循环硬化特征。

QT400在不同应变幅值下的循环周次-应力幅值曲线如图5(a)所示。试验结果表明，在不同低应变幅值下，QT400循环初期就开始发生循环硬化，当应变幅Δεt2<0.3%时，循环后期材料出现持续硬化现象，直至发生断裂。但Δεt2=0.35%时，循环寿命周期略高于Δεt2=0.3%时的应力幅值疲劳试验的寿命周期值，如图5所示。

(a)(b)图5 QT400在300℃下不同应变幅值的低周疲劳试验结果曲线Figure 5 Low cycle fatigue test curves of QT400 withdifferent strain amplitudes at 300℃

表1为QT400在300℃下的低周疲劳试验数据，根据表1数据取双对数坐标绘制QT400 Δεt2-2Nf曲线，如图6所示。

表1 300℃下QT400低周疲劳数据Table 1 Low cycle fatigue data of QT400 at 300℃

(a)

(b)图6 QT400低周疲劳数据拟合Figure 6 Low cycle fatigue data fitting of QT400

由Ramberg-Osgood方程和Manson-Coffin方程得到QT400的应变疲劳参数，并得到QT400的应变-疲劳寿命方程式为：

材料的循环应力-应变关系为：

从材料的Δε2-2Nf曲线可以得到材料的疲劳过渡寿命2Nf=1446周，即NT=723周，疲劳过渡寿命是低周疲劳性能的关键指标之一，它主要取决于材料的强度和塑性，对疲劳设计有很大意义。QT400的疲劳过渡寿命在Δε2-2Nf曲线左侧，如图6(a)所示，在2NT点的左侧主要以塑性变形为主，QT400疲劳强度的决定因素为材料的塑性；QT400在2NT点的右侧区域内的应变幅下具有较高的疲劳寿命。图6(b)为QT400低周疲劳的σ2和Δεp2拟合曲线。

3 结论

(1)QT400随温度升高塑性降低，100℃时存在韧窝韧性断裂特征，400℃时存在准解理脆性断裂特征，球形石墨的形态随塑性的变化而变化。

(2)QT400具有循环硬化特征，在应变控制下的疲劳试验中，随循环次数增加，应力幅升高，当N=10周时可达到饱和循环阶段。当Δεt2<0.3%时，循环后期存在持续硬化现象，直至材料最终断裂。

(3)QT400的低周疲劳应变与寿命关系曲线为：

循环应力-应变关系为：

(4)QT400球墨铸铁的疲劳过渡寿命NT为723周。