CN115096726A - 一种通过珠光体含量和抗拉强度预测蠕墨铸铁疲劳强度的方法 - Google Patents

一种通过珠光体含量和抗拉强度预测蠕墨铸铁疲劳强度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种通过珠光体含量和抗拉强度预测蠕墨铸铁疲劳强度的方法，属于材料与构件疲劳性能测试技术领域。该方法首先选择至少两种不同珠光体含量的蠕墨铸铁，随后进行微观组织检测、拉伸和高周疲劳实验，通过公式推导建立珠光体含量、抗拉强度与疲劳强度之间的关系。该方法可以准确的预测蠕墨铸铁的疲劳强度，并且极大程度节约了疲劳实验所需的人力、物力和财力，可以推广到蠕墨铸铁不同加载方式(轴向对称、旋转弯曲等)与其他类型铸铁材料(球墨铸铁和灰铸铁)的疲劳强度预测的领域。

Description

一种通过珠光体含量和抗拉强度预测蠕墨铸铁疲劳强度的 方法
技术领域
本发明涉及材料与构件疲劳性能测试技术领域，具体为一种通过珠光体含量和抗拉强度预测蠕墨铸铁疲劳强度的方法。
背景技术
蠕墨铸铁因其良好的热性能、机械性能以及铸造性能，成为制备柴油发动机气缸盖的首选材料。由于服役期间循环载荷的作用，气缸盖高周疲劳损伤的发生不可避免。这不但会造成安全问题，而且会导致经济损失。因此，提升气缸盖的机械性能显得尤为重要。组织作为影响蠕墨铸铁力学性能的关键因素，构建组织与疲劳性能之间的关系，不仅可以实现疲劳强度的简单准确预测，而且还会对蠕墨铸铁的组织优化提供一定的理论指导，使得这项工作具有重要意义。
发明内容
为了降低获取材料疲劳极限所需成本，本发明提供了一种通过珠光体含量和抗拉强度预测蠕墨铸铁疲劳强度的方法，通过选择至少两种不同珠光体含量的蠕墨铸铁，使用IPP软件进行组织占比分析，获得试样基体内珠光体的含量，随后进行室温拉伸与高周疲劳实验，获得不同珠光体含量蠕墨铸铁的抗拉强度以及疲劳强度数值，通过最小二乘法拟合，建立疲劳比与珠光体含量的关系，即可实现疲劳强度的准确预测。该方法大量的降低了实验量需求，预测结果较为精准，且无复杂的公式推导计算。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种通过珠光体含量和抗拉强度预测蠕墨铸铁疲劳强度的方法，该方法具体包括如下步骤：
(1)选择至少两种珠光体含量不同的蠕墨铸铁，使用IPP软件分析试样中珠光体和石墨的面积百分数，选择的区域不少于5个，根据公式(1)计算出基体中珠光体的含量：
Figure BDA0003678596200000021
(2)对不同珠光体含量的蠕墨铸铁进行室温拉伸与高周疲劳实验，得到相应的抗拉强度与疲劳强度的数值，根据公式(2)计算出疲劳比：
Figure BDA0003678596200000022
公式(2)中：σw为疲劳强度，σb为抗拉强度，A为疲劳比。
(3)将不同珠光体含量蠕墨铸铁对应的疲劳比带入公式(3)并进行拟合：
Figure BDA0003678596200000023
公式(3)中：m和n均为材料相关参数，均通过拟合获得。
将公式(3)变形得到公式(4):
σw＝(mCP+n)·σb (4)；
(4)根据步骤(3)获得的m和n两个材料相关参数以及公式(4)，即可计算各种珠光体含量和抗拉强度下蠕墨铸铁的疲劳强度。
步骤(4)中，m和n均为材料相关参数，仅适用于具有不同珠光体含量和抗拉强度的蠕墨铸铁材料。
本发明的优点和有益效果如下：
1、使用本发明方法，可以通过宏观的静态拉伸性能与微观的显微组织，实现对蠕墨铸铁高周疲劳强度较为准确的预测，不仅可以节约材料，还可以提升工作效率，同时对铸铁材料疲劳强度的预测有一定的借鉴作用。
2、本发明分析了组织含量对材料强度的影响，物理意义明确。
3、本发明的疲劳强度预测模型具有良好的精度和普适性，可以较为准确的预测不同珠光体含量蠕墨铸铁的高周疲劳强度。
4、本发明预测方法计算简单且具有较高精度，通过建立珠光体含量，静态抗拉强度与疲劳强度的关系，进行疲劳强度预测。所需时间少，极大程度节约时间、人力和金钱成本。
5、本发明方法可以推广到蠕墨铸铁不同加载方式(轴向对称、旋转弯曲等)与其他类型铸铁材料(球墨铸铁和灰铸铁)的疲劳强度预测的领域。
附图说明
图1是实验所得数据根据公式(3)的拟合结果。
图2是搜集的蠕墨铸铁相关数据根据公式(3)的拟合结果。
图3是不同珠光体含量和抗拉强度的蠕墨铸铁的疲劳强度预测结果。
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。
实施例1：
本实施例是对不同组织占比的蠕墨铸铁进行疲劳强度预测，至少选择两种不同珠光体含量的蠕墨铸铁进行室温拉伸与高周疲劳测试(实验数据)，并用将拟合所得到的结果跟真实的实验结果进行对比，对方法的准确性进行评估。
步骤一，通过760℃保温4h随炉冷却的退火工艺、900℃保温1.5h空冷以及990℃保温2.5h空冷的正火工艺调整蠕墨铸铁基体中珠光体的含量，使用IPP软件统计未热处理和热处理后试样中珠光体和石墨的面积百分数，代入公式(1)中计算珠光体含量。退火试样、未热处理试样、低温正火试样以及高温正火试样的珠光体含量分别为2.84％、58.80％、82.94％和92.48％。
步骤二，对不同珠光体含量的试样进行轴向拉伸和高周疲劳实验。随着珠光体含量的升高，获取抗拉强度的数值分别为284MPa、400MPa、533MPa和604MPa；获取疲劳强度的数值分别为112MPa、129MPa、145MPa和158MPa。根据公式(2)计算疲劳比的数值。
步骤三，将步骤一和步骤二中得到的珠光体含量以及疲劳比数值代入公式(3)进行拟合，所得拟合误差为5％，如图1所示；搜集蠕墨铸铁珠光体含量、抗拉强度以及疲劳强度相关数据，重复上述操作，所得的拟合误差为10％，如图2所示。由此说明，该普适关系拟合精度较高。
步骤四，对公式(3)进行变形，得到公式(4)，即：
σw＝(mCP+n)·σb (4)
m和n均为材料相关参数，可以通过公式(3)的拟合获得。将通过公式(4)计算得到的疲劳强度值与实验值进行对比，误差为10％，如图3所示。说明该方法对蠕墨铸铁高周疲劳强度具有较好的预测精度。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及性能，并非全部内容，人们还可以根据本实施例在无需创造性劳动前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (4)

1.一种通过珠光体含量和抗拉强度预测蠕墨铸铁疲劳强度的方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
(1)选择至少两种珠光体含量不同的蠕墨铸铁样品，使用Image Pro Plus(IPP)软件对各样品中珠光体和石墨的面积百分数进行测量统计，根据公式(1)计算样品内珠光体含量：
Figure FDA0003678596190000011
公式(1)中：CP表示珠光体含量，AreaP(％)表示珠光体的面积百分数，AreaG(％)表示石墨的面积百分数；
(2)对不同珠光体含量的试样进行拉伸测试和轴向对称高周疲劳实验，获取各样品抗拉强度与疲劳强度数值，并根据公式(2)计算疲劳比：
Figure FDA0003678596190000012
公式(2)中：σw为疲劳强度，σb为抗拉强度，A为疲劳比，为关系式。
(3)将步骤(1)得到的珠光体含量与步骤(2)获得的抗拉强度与疲劳强度数值带入公式(3)，通过进行拟合得到与材料相关的参数m和n；
Figure FDA0003678596190000013
(4)对公式(3)进行变形，得到公式(4)：
σw＝(mCP+n)·σb (4)；
根据步骤(3)拟合出的m和n参数以及公式(4)，即能够计算不同珠光体含量及其抗拉强度下同种材料的疲劳强度。
2.根据权利要求1所述的通过珠光体含量和抗拉强度预测蠕墨铸铁疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(1)中，通过抛光和腐蚀制备金相试样，根据GB/T 26656-2011(国家标准)对蠕墨铸铁样品内的珠光体和石墨进行分析。
3.根据权利要求1所述的通过珠光体含量和抗拉强度预测蠕墨铸铁疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(2)中，通过拉伸和高周疲劳实验，获得不同珠光体含量试样的抗拉强度和疲劳强度数值；拉伸实验在万能试验机上进行，高周疲劳实验一般采用高频疲劳试验机，疲劳强度根据GB/T 24176-2009采用升降法进行计算。
4.根据权利要求1所述的通过珠光体含量和抗拉强度预测蠕墨铸铁疲劳强度的方法，其特征在于：步骤(3)中，与材料的相关参数m和n的值可以通过Origin等软件进行拟合获得。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115561076A (zh) * 2022-12-05 2023-01-03 潍柴动力股份有限公司 一种蠕墨铸铁抗拉强度的预测方法

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