CN108535105B - 一种蠕墨铸铁疲劳强度的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蠕墨铸铁疲劳强度的预测方法，属于材料与构件疲劳性能测试技术领域。本发明通过微观组织和高周疲劳实验，分析蠕墨铸铁的高周疲劳损伤机制，建立蠕墨铸铁微观组织与疲劳强度的定量关系。本发明不仅能有效预测蠕墨铸铁的疲劳强度，可能适用于灰铸铁和金属基复合材料，同时，可以明显降低常规疲劳强度测定所需的实验量，试验过程更加简单、快捷，明显节约了时间、降低人力和物力成本。
Description
技术领域
本发明涉及材料与构件疲劳性能测试技术领域，具体涉及一种蠕墨铸铁疲劳强度的预测方法。
背景技术
发动机是汽车的核心部件，缸盖作为发动机的一部分，其主要制备材料为蠕墨铸铁。在汽车正常运转过程中缸盖会不断承受循环载荷的作用，不可避免地产生高周疲劳损伤，并最终演化成疲劳断裂。疲劳断裂具有突发性和不可逆性，通常会造成严重后果。因此，如何准确、高效地判断构件的疲劳强度，对增加构件的服役安全性、降低构件的生产成本十分必要。
传统的疲劳强度测试方法一般分为两种：一种是根据升降法对材料的各应力幅逐一进行高周疲劳测试，并最终根据实验结果通过升降法计算疲劳强度。该法虽精度较高，但需要耗费大量的人力、物力和财力，因此具有很大的局限性。再者就是根据材料的物理和力学性能，通过复杂的理论推导进行测算，该方法准确度较低，计算过程极其复杂，不适宜工业推广。因此，如何针对材料的高周疲劳损伤机制，提出简单、准确的预测疲劳强度的方法，成为当下疲劳领域的迫切需求。
发明内容
为了克服现有疲劳强度预测方法存在的不足之处，本发明提供了一种蠕墨铸铁疲劳强度的预测方法。该方法是基于高周疲劳损伤机制，通过建立蠕墨铸铁微观组织特征与疲劳强度之间的关系，即可实现对蠕墨铸铁疲劳强度的准确预测。该方法具有准确性高、适用性广、方法简便等特点，同时降低了实验量，极大程度地节约了成本。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种蠕墨铸铁疲劳强度的预测方法，该方法包括如下步骤：
(1)选择一种或几种微观组织不同蠕墨铸铁，分别制备用于金相组织分析的蠕墨铸铁样品(为了避免组织分散性，每种样品要分析一定数量)；
(2)将蠕墨铸铁样品进行金相观察与分析，可通过Image Pro Plus(IPP)软件计算出各蠕墨铸铁样品中各组织含量，即得出各样品中石墨、铁素体相的面积百分含量，选择的分析区域不少于5个；
(3)依据GB/T 3075-2008进行蠕墨铸铁的高周疲劳试验，分析其疲劳损伤机制，建立蠕墨铸铁微观组织与高周疲劳强度之间的定量关系，并根据步骤(2)中所得样品中各组织含量及相应样品的疲劳强度，计算出蠕墨铸铁微观组织与疲劳强度之间的定量关系中的未知参数(即公式(1)中的σw)，从而获得蠕墨铸铁疲劳强度预测模型；
(4)根据步骤(3)所得蠕墨铸铁疲劳强度预测模型计算不同微观组织蠕墨铸铁的疲劳强度。
上述步骤(1)中，通过抛光和腐蚀的方式获得用于组织分析的蠕墨铸铁样品，具体过程为：蠕墨铸铁样品表面依次经过目数为400#、800#、1200#、1500#和2000#的砂纸打磨，随后进行精细抛光和腐蚀获得用于组织分析的蠕墨铸铁样品，腐蚀前后均进行组织分析。
上述步骤(2)中，所述蠕墨铸铁的基体组织主要分析石墨和铁素体；石墨面积为国家标准规定的蠕虫状和球状石墨面积之和。
上述步骤(2)中，蠕墨铸铁中不同相的面积百分比通过IPP等软件进行计算，计算过程中根据腐蚀前后蠕墨铸铁中不同相在光学显微镜或扫描电镜下的衬度差别确定各相所在区域，并分别计算各相相应的区域面积。抛光后未腐蚀的照片用于石墨分析，腐蚀后的照片用于铁素体分析。
上述步骤(3)中，所述疲劳强度为材料的室温疲劳强度，通过升降法获得。
上述步骤(3)中，所述微观组织与疲劳强度之间的定量关系是指疲劳强度σW与石墨和铁素体面积百分含量之比的关系，如公式(1)：
式(1)中：σfw为具有铁素体单相组织的标准试样疲劳强度,可以通过公式(1)进行拟合或计算获得，也可以通过铁素体的强度或硬度进行推算；wf为蠕墨铸铁样品中铁素体的面积百分含量，wg蠕墨铸铁样品中石墨的面积百分含量。
本发明的优点和有益效果如下：
1、将疲劳裂纹尺寸和疲劳强度建立等量关系，同时消除了长裂纹和短裂纹扩展特征的差别，赋予了临界裂纹尺寸物理意义。
2、通过分析蠕墨铸铁疲劳裂纹的扩展特征，将复杂的疲劳损伤过程进行简化，排除了大量的干扰因素，具有良好的普适性。
3、本发明计算简单，精度较高，且可显著降低实验量，极大程度的节约人力、财力以及时间成本。
附图说明
图1是蠕墨铸铁疲劳强度预测方法流程图。
图2是室温下蠕墨铸铁裂纹萌生及扩展示意图。
图3(a)为不同基体组织蠕墨铸铁的高周疲劳S-N曲线；
图3(b)为对应于图3(a)的平均寿命的Basquin关系分析结果。
图4是蠕墨铸铁的疲劳强度和铁素体与石墨面积比的拟合结果。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进一步说明。
本发明为蠕墨铸铁疲劳强度的预测方法，预测流程如图1所示。该方法概括了以往通过大量实验得出的蠕墨铸铁高周疲劳损伤机制模型(如图2所示)，具有准确性高、适用性广、方法简便等特点，同时降低了实验量，极大程度地节约了成本。本发明预测方式具体步骤如下：
步骤(1)：对腐蚀前后的试样进行金相观察，并拍摄金相照片。
步骤(2)：并通过IPP软件分别测定组织中石墨和铁素体的面积。
步骤(3)：进行疲劳试验，研究疲劳机制，建立微观组织与疲劳强度定量关系。
步骤(4)：将步骤(2)的测试结果代入步骤(3)中计算疲劳强度。
实施例1：
本实施例是对蠕墨铸铁材料高周疲劳强度进行预测，过程如下：
(1)蠕墨铸铁材料取自柴油发动机缸盖，疲劳试验在室温条件下进行。
(2)本实施例中，选取三种具有不同微观组织的蠕墨铸铁，通过IPP软件进行计算，其石墨面积含量分别为24％、11％、10％，铁素体面积含量分别为62.5％、60％、24％。
(3)基于Tanaka等人获得的σth和ΔKth的关系：
式中，w0为滑移带宽度；
为位错运动的摩擦应力；a为裂纹长度；
为微观应力强度因子的临界值，△Kth是本征疲劳门槛应力强度因子范围。当裂纹尺寸趋近于0时，即a＝0，光滑试样的疲劳强度为：
假设
将公式(4)，带入公式(2)，
式中，
即长裂纹的本征疲劳门槛应力强度因子范围。
根据蠕墨铸铁高周疲劳裂纹的萌生及扩展机制，将初始及临界裂纹长度与石墨和铁素体面积建立等价关系，因此，相应的疲劳强度可表示为：
式中，wg和wf分别是石墨和铁素体面积百分含量。铁素体光滑试样的疲劳强度σfw，可以通过一种样品的数据计算或通过多种样品的拟合获得；另外，也可以通过疲劳强度与抗拉强度(或硬度)的经验公式估算，即：σ-1＝mσb，m＝0.3～0.5。相对而言，铁素体单相组织的标准样品疲劳强度难于准确测量或估算，拟合方法更加准确。
(4)将具有不同微观组织的蠕墨铸铁进行高周疲劳试验，应力幅区间为120-240MPa，间隔为10MPa，并根据升降法计算疲劳强度。对应的S-N曲线以及Busquin拟合结果如图3所示。
(5)将步骤(2)中的石墨和铁素体含量分别代入公式(7)中，并把三种材料的疲劳强度与wg/wf作图，拟合得出σfw＝210MPa，得到疲劳强度预测关系。把预测值和实验值进行比对如图4所示，验证预测结果的准确性。
Claims (5)
1.一种蠕墨铸铁疲劳强度的预测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)选择一种或几种具有不同微观组织的蠕墨铸铁，分别制备用于金相组织分析的蠕墨铸铁样品；
(2)将蠕墨铸铁样品进行金相观察与分析，计算出各蠕墨铸铁样品中各组织含量，即得出各样品中石墨和铁素体的面积百分含量；
(3)建立蠕墨铸铁微观组织与疲劳强度之间的定量关系，并根据步骤(2)中所得样品中各组织含量及相应样品的疲劳强度，根据公式(1)计算出蠕墨铸铁微观组织与疲劳强度之间的定量关系中的未知参数σfw，从而获得蠕墨铸铁疲劳强度预测模型；所述微观组织与疲劳强度之间的定量关系是指疲劳强度σw与石墨和铁素体面积百分含量之比的关系，公式(1)如下：
式(1)中：σfw为具有铁素体单相组织的标准试样疲劳强度，可通过公式(1)进行拟合或计算获得；wf为蠕墨铸铁样品中铁素体的面积百分含量，wg为蠕墨铸铁样品中石墨的面积百分含量；
(4)根据步骤(3)所得蠕墨铸铁疲劳强度预测模型计算不同微观组织蠕墨铸铁的疲劳强度。
2.根据权利要求1所述的蠕墨铸铁疲劳强度的预测方法，其特征在于：步骤(1)中，通过抛光和腐蚀的方式获得用于组织分析的蠕墨铸铁样品，具体过程为：蠕墨铸铁样品表面依次经过目数为400#、800#、1200#、1500#和2000#的砂纸打磨，然后抛光进行组织分析，腐蚀后再进行组织分析。
3.根据权利要求1所述的蠕墨铸铁疲劳强度的预测方法，其特征在于：步骤(2)中，所述蠕墨铸铁的组织中包括珠光体、铁素体和石墨，但对石墨和铁素体进行分析。
4.根据权利要求2或3所述的蠕墨铸铁疲劳强度的预测方法，其特征在于：步骤(2)中，蠕墨铸铁中不同相的面积百分比通过软件进行计算，计算过程中根据腐蚀前后蠕墨铸铁中不同相在光学显微镜或扫描电镜下的衬度差别确定各相所在区域，并分别计算各相相应的区域面积；抛光后未腐蚀的照片用于石墨分析，腐蚀后的照片用于铁素体分析。
5.根据权利要求1所述的蠕墨铸铁疲劳强度的预测方法，其特征在于：步骤(3)中，所述疲劳强度为材料的室温疲劳强度，通过升降法获得。
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