孟令健 张孟枭 李玉娟 吕文芝 张 辉 庞建超

(1.中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016；2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 100081；3.东北大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110004)

疲劳失效是内燃机缸体和缸盖主要的破坏形式之一[1]。据统计，大约有80%的失效形式都是由疲劳引起的[2]。目前内燃机缸体和缸盖所使用的材料主要是铝合金与蠕墨铸铁[3]。相较于铝合金的高成本和不稳定性，蠕墨铸因具有良好的力学性能和热稳定性，被广泛地应用在内燃机缸盖的生产中[4]。其中主要以RuT400和RuT450居多，前者用于内燃机缸盖的生产，后者用于内燃机缸体和缸盖。由于RuT450拥有比RuT400更高的抗拉强度和硬度，所以两者在应用上存在一定差距[5]。本文选取这两种材料来进行轴向拉伸和高周疲劳试验，分析了两种材料拉伸性能和疲劳性能的差异，并探究了裂纹的萌生与扩展机制，以期为提高柴油发动机的使用寿命提供理论依据。

1 试验材料与方法

RuT400和RuT450的化学成分如表1所示。拉伸和疲劳试样尺寸如图1所示。静态拉伸试验使用Instron 5982电子万能材料试验机，拉伸速率为5×10-4s-1，应变规标距为25 mm，每种材料各取3个试样进行拉伸试验。高周疲劳试验使用电磁共振高频疲劳试验机(Rumul testronic 100 kN)，试验温度为25 ℃，应力比为R=-1，载荷为正弦波形，终止寿命选取107，试验频率约110 Hz，疲劳强度通过升降法进行计算。

图1 试样尺寸

表1 RuT400和RuT450的化学成分(质量分数)

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

RuT400和RuT450的显微组织如图2所示[6]。从图2可以看出，蠕墨铸铁RuT400和RuT450的显微组织可大致分为3个部分：亮白色珠光体、灰暗色铁素体以及黑色石墨。RuT400的石墨基本被铁素体包围；而RuT450的珠光体含量较高，导致部分石墨直接与珠光体接触。通过Image-Pro Plus(IPP)软件计算得到这两种材料各相的面积分数和蠕化率如表2所示。

图2 RuT400和RuT450的显微组织

表2 RuT400和RuT450的各相面积分数和蠕化率

从表2可以发现：RuT400和RuT450的化学成分相近，但各相面积分数不同。这是因为RuT450的冷却速度比RuT400快，导致第二阶段石墨化不完全[7]。而铸铁的石墨化完全程度决定基体组织的面积分数。因此RuT450的珠光体含量比RuT400多。

2.2 拉伸性能与断口形貌

RuT400与RuT450的拉伸性能如表3所示，其应力-应变曲线如图3所示。

表3 RuT400和RuT450的拉伸性能

从图3可以看出：RuT400与RuT450的弹性变形阶段曲线几乎重合(RuT400的弹性模量为136 GPa，RuT450的弹性模量为123 GPa)，但RuT450的抗拉强度和屈服强度都高于RuT400。蠕墨铸铁的力学性能主要取决于石墨形态(蠕化率及石墨分布均匀性)和基体组织(珠光体和铁素体含量)。由于RuT400与RuT450的蠕化率接近，因此RuT450的抗拉强度高于RuT400可能是RuT450中珠光体含量更多所致。珠光体为铁素体和渗碳体层状复合结构，强度远高于铁素体，硬度适中，塑性和韧性较好，所以提高了材料的抗拉强度。对于铸铁材料，当珠光体的面积分数大于60%时，随着珠光体含量的增加，材料的抗拉强度和硬度均有所提高[8]。

图3 RuT400与RuT450的工程应力-工程应变曲线

RuT400和RuT450的拉伸断口如图4和图5所示。两种材料的断裂方式均为解理断裂，断口均出现了河流状花纹、解理平面。如图4(b、c)和图5(b、c)所示，RuT450的解理面都是独立的，而RuT400的部分解理面边缘相接近。RuT400的解理面附近可见明显的二次裂纹，而RuT450则没有。

图5 RuT450的拉伸断口

图4 RuT400试样的拉伸断口

2.3 高周疲劳性能

RuT400和RuT450的S-N曲线如图6所示。RuT400和RuT450的Basquin关系分别为：

图6 RuT400和RuT450的S-N曲线

σa=319.41×(2Nf)-0.04

(1)

σa=326.41×(2Nf)-0.05

(2)

从图6可以看出：RuT450的疲劳强度高于RuT400，但其疲劳数据的分散性(以各应力层级寿命平均值标准偏差作为统计依据)却大于RuT400，RuT400疲劳寿命达到107的仅有3个应力层级，而RuT450有5个应力层级。

Ru400和Ru450的疲劳断口如图7和图8所示。如图7(a)和图8(a)所示，RuT400和RuT450的断口瞬断区占总断口面积的比例较大，说明蠕墨铸铁属于萌生寿命大于扩展寿命的材料[9]。从图7(b、c)和图8(b、c)可以看出，两者的疲劳裂纹均源于试样表面的石墨与基体交界处,裂纹扩展区中发现解理面，表明蠕墨铸铁的疲劳断裂过程发生了解理断裂，RuT400与RuT450的断裂方式相同。

图8 RuT450的疲劳断口(σa=200 MPa, Nf=644 545周次)

图7 RuT400的疲劳断口(σa=200 MPa,Nf=213 227 周次)

Ru400和Ru450典型疲劳断裂试样的纵切面微观组织如图9和图10所示。如图9(a)和10(a)所示，两者的疲劳裂纹均萌生于试样边缘，早期主裂纹表面比较平坦。但随着疲劳循环周次的增加，裂纹表面变得粗糙，直至完全断裂。从图9(b～d)中可以观察到，RuT400的微裂纹起源于石墨尖端与铁素体交界处，向珠光体扩展。从图10(b～d)中可以观察到，RuT450的微裂纹出现在蠕虫状石墨附近，较多的微裂纹连接石墨尖端，部分微裂纹贯穿整个蠕虫状石墨。另外，RuT450的许多微裂纹直接在珠光体中扩展，而RuT400的微裂纹先是扩展到铁素体再扩展到珠光体。

图10 RuT450的疲劳断裂试样的纵切面

图9 RuT400的疲劳断裂试样的纵切面[10]

微裂纹起源于石墨尖端是因为石墨尖端是应力集中点，且石墨两端越尖锐，应力越集中，萌生微裂纹所需循环周次也越少。从上述观察结果看，两种材料的微裂纹均萌生于石墨尖端，而扩展路径的差异主要是基体组织不同造成的。RuT400的铁素体含量多于RuT450，RuT400中石墨均被铁素体包围，因此RuT400的裂纹从石墨尖端萌生后先扩展到铁素体。而RuT450的珠光体含量多于RuT400，由于铁素体含量少，RuT450中部分石墨直接与珠光体接触，因此在这些与珠光体接触的石墨尖端萌生的微裂纹必定会扩展到珠光体。

2.4 蠕墨铸铁基体组织与抗拉强度之间的关系

通过上述分析可知，RuT400和RuT450的疲劳性能和抗拉强度的差别是两者基体组织的不同造成的。珠光体强度为750～900 MPa，铁素体强度为180～280 MPa[11]。若将蠕墨铸铁看作是复合材料，根据复合材料强度串、并联法则，则有：

σb=ωf×σf+ωp×σp

(1)

1/σb=ωf/σf+ωp/σp

(2)

式(1)为串联法则，式(2)为并联法则。式中：σb为材料的抗拉强度，ωf和ωp分别为铁素体和珠光体的面积分数，σf和σf分别为铁素体和珠光体的强度。由于石墨是脆性相且强度比基体低很多，因此将石墨的强度σg视为零。将朱正宇等[12]、张伟等[13]的试验材料的各相含量和抗拉强度，代入式(1)和式(2)计算，结果如表4所示。

从表4可以看出，珠光体含量(面积分数，下同)低于40%时，材料的组织与抗拉强度的关系满足串联法则。珠光体含量在40%以上时，材料的组织与抗拉强度的关系满足并联法则。由此可知，珠光体含量为40%是串、并联法则的临界点。

表4 串、并联法则计算结果

为了探究抗拉强度与珠光体含量之间的关系，引用朱正宇等[12]、张伟等[13]、林勇传等[14]、Qiu等[15]和Guzik等[16]的数据进行分析,得到抗拉强度与珠光体含量之间的关系如图11中圆点所示。可见，随着珠光体含量的增加，材料的抗拉强度递增。因此，依照指数函数形式对其进行拟合，如图11曲线所示，其关系式为：

图11 抗拉强度与珠光体含量之间的关系

σb=a+be(ωp+c)/d

(3)

式中：σb为材料的抗拉强度，ωp为珠光体面积分数，a、b、c和d均为拟合参量，无物理意义，本文取值分别为377.19、4.61、-18.44和22.64。

随着珠光体含量的增加，材料的抗拉强度递增。这是由于当珠光体含量较低时，铁素体在基体组织中的比例较大，珠光体的强化作用不明显，抗拉强度提高不明显。随着珠光体含量的增加，珠光体逐渐起主导作用，抗拉强度明显提高。Zhang等[17]研究双相复合材料的弹性模量时发现：当基体弹性模量较小时，满足串联关系；当基体弹性模量较大时，满足并联关系。铁素体的弹性模量比珠光体小，参考弹性模量关系，可以很好地解释表4中的串并联关系。因此，随着珠光体含量的增加，蠕墨铸铁的抗拉强度总体递增。

2.5 高周疲劳机制

RuT450和RuT400的疲劳断裂方式如图12所示。RuT450和RuT400的成分和蠕化率均接近，因此，两者疲劳强度和疲劳抗力有差别的原因是珠光体与铁素体含量不同。珠光体强度高，且具有均匀的片层结构，从而增加了珠光体内位错运动的阻力，位错不易于缠结和增殖；与珠光体相比，铁素体的强度较低(180～280 MPa[18])，位错更易增殖和缠结。在循环载荷作用下，应变局部化是疲劳断裂的关键因素。裂纹(损伤)总是从应力集中处产生并扩展，因此对于铁素体含量较高的RuT400，裂纹在石墨相界萌生后，向铁素体区扩展，裂纹尖端处位错大量缠结，产生了一定的疲劳抗力，因此RuT400的S-N曲线较RuT450更为平缓。铁素体为软相，萌生寿命较短，扩展寿命较长。已有研究表明：蠕墨铸铁为萌生寿命占主导的材料，而RuT400的萌生寿命比RuT450短，从而RuT450的疲劳强度较高。

图12 疲劳断裂方式

另外，相较于RuT400，RuT450的S-N曲线的数据比较分散，这是由于RuT450中只有部分石墨直接与珠光体接触所致。由于裂纹均萌生于石墨相界，RuT400中石墨均与铁素体基体接触，裂纹萌生后进入铁素体区(软相区)，裂纹尖端在位错缠结和增殖作用下，应力集中程度降低；而在RuT450中，裂纹在与珠光体接触的石墨尖端萌生后，部分裂纹进入珠光体区。由于珠光体中位错钉扎效应强，基体塑性差、强度高，裂纹进入珠光体后位错对裂纹的缓冲作用较小，使裂纹更容易在珠光体中扩展，从而导致断裂。这种石墨与珠光体直接接触的特殊组织结构，导致裂纹扩展的速度不稳定，反映在S-N曲线上的数据比较分散。

通过对S-N曲线的分析可知，蠕墨铸铁的力学性能与基体组织密切相关，尤其是铁素体和珠光体的含量上。

2.6 蠕墨铸铁基体组织与疲劳强度之间的关系

图13中数据选自文献[19]和[20]，与图12类似，珠光体含量与疲劳强度之间也呈现抛物线关系，其关系式为：

σ-1=aωp2+bωp+c

(4)

式中：σ-1为材料的疲劳强度，ωp为珠光体面积分数，a、b、c和d均为拟合参量，无物理意义，本文取值分别为0.032、-3.31和214.49。

从图13可以看出，珠光体含量为40%～60%时，疲劳强度最低,其原因可能是由于疲劳寿命包括萌生寿命和扩展寿命。珠光体含量高时，可提高萌生寿命，而铁素体含量高时，可提高扩展寿命。因此，存在一个临界转变量，即该珠光体含量的材料，萌生寿命与扩展寿命均受到一定程度的限制，从而整体制约了疲劳强度的提高。

图13 疲劳强度和珠光体含量之间的关系

当珠光体含量低时，铁素体含量高，石墨被铁素体包围。铁素体的塑性好，石墨是脆性材料，两者的弹性模量差异大，变形抗力也不同，所以石墨尖端易萌生微裂纹，微裂纹萌生后，再扩展到铁素体。由于铁素体中位错受钉扎作用弱，易滑移，使得在裂纹附近产生大量的位错缠结以阻碍微裂纹的扩展。因此，铁素体含量高的材料扩展寿命提高。当珠光体含量高时，铁素体含量低，部分石墨直接与珠光体接触。而微裂纹一旦形成进入珠光体，由于珠光体中位错受钉扎作用强，不易滑移，所以微裂纹在扩展过程受到的阻力比在铁素体中扩展受到的阻力小。因此，珠光体含量高时，萌生寿命提高。

总之，蠕墨铸铁的疲劳损伤机制随基体组织的变化而变化。当铁素体含量多于珠光体含量时，微裂纹扩展路径主要是经过铁素体，符合铁素体损伤机制。因此，疲劳寿命随珠光体含量的减少而提高的原因是扩展寿命的提高。当珠光体含量多于铁素体时，微裂纹的扩展路径主要是铁素体和珠光体。而且随着珠光体含量的增加，与珠光体直接接触的石墨也增加，因此越来越多的微裂纹扩展遵循珠光体损伤机制。此外，铁素体含量随珠光体含量的增加而减少，对扩展寿命的提高作用不明显。因此，疲劳寿命随珠光体含量增加而提高的原因是扩展寿命的提高。观察图13发现，蠕墨铸铁最低疲劳强度所对应的珠光体范围为40%～60%,因此在实际生产中，若以疲劳强度为指标选取和制备材料，应尽量避免珠光体与铁素体含量相近的基体组织。

3 结论

(1)RuT400和RuT450的化学成分和蠕化率相近，RuT450的珠光体含量比RuT400多。RuT450的抗拉强度比RuT400高，这是因为制备RuT450时冷却速率高，珠光体含量多，提高了RuT450的拉伸性能。

(2)RuT450的疲劳强度高于RuT400，但是RuT450疲劳数据的分散度高于RuT400，这是两种材料基体组织的差别造成的。

(3)随着珠光体含量的增加，蠕墨铸铁的抗拉强度呈指数关系提高，疲劳强度则先降后升。因此蠕墨铸铁的疲劳损伤机制随基体组织的变化而变化。