【摘 要】
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等温淬火球墨铸铁（ADI）具有优良的综合力学性能,在发动机曲轴、齿轮等传动部件中具有重要应用前景。优良的疲劳性能和断裂韧性是ADI零部件安全服役的保障。同时提升ADI材料的强度和塑韧性是提升材料疲劳极限和断裂韧性的有效手段。因此,本文以获得高强韧性ADI材料为目标,采用Cu合金化和两步等温淬火工艺为调控手段,制备了两步等温淬火Cu合金化ADI（两步法Cu-ADI）。利用光学显微镜、扫描电子显微镜、
【基金项目】
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国家自然基金“基于两步等温淬火Cu合金化ADI的疲劳性能及机理”,项目编号为:51374086；
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等温淬火球墨铸铁（ADI）具有优良的综合力学性能,在发动机曲轴、齿轮等传动部件中具有重要应用前景。优良的疲劳性能和断裂韧性是ADI零部件安全服役的保障。同时提升ADI材料的强度和塑韧性是提升材料疲劳极限和断裂韧性的有效手段。因此,本文以获得高强韧性ADI材料为目标,采用Cu合金化和两步等温淬火工艺为调控手段,制备了两步等温淬火Cu合金化ADI（两步法Cu-ADI）。利用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪、万能拉伸试验机、MTS疲劳试验机和高周疲劳试验机等分析测试手段,系统的研究了Cu对两步法Cu-ADI显微组织、疲劳性能和断裂韧性的影响。并在此基础上研究了石墨形貌、石墨数量和基体组织对两步法Cu-ADI的疲劳性能和断裂韧性的影响。为开发低成本高性能ADI奠定理论和实践基础。在本文实验条件下,获得的主要结果如下:Cu合金化球墨铸铁的铸态组织由石墨球和基体组织（铁素体+珠光体）构成,随Cu含量增加,石墨球尺寸减小,珠光体含量显著增加,当Cu含量超过0.8%时,珠光体含量基本不变;经两步等温淬火后,基体组织由珠光体和铁素体转变为针状铁素体和残余奥氏体;随着Cu含量增加,残余奥氏体含量增加,尺寸增大,同时残余奥氏体碳含量降低。随Cu含量增加,两步法Cu-ADI的抗拉强度、屈服强度和冲击功均先增加后减小,而延伸率变化不大;疲劳极限先升高后降低,断裂韧性则不断升高。两步法Cu-ADI在Cu含量为1.4%时,具有最佳的综合力学性能,抗拉强度为1370MPa,屈服强度为1270MPa,延伸率6.5%,冲击功达到123J,疲劳极限505MPa,断裂韧性68.85MPa·m1/2。两步法Cu-ADI的疲劳裂纹主要萌生于表层或近表层的石墨球与基体界面处。适宜的Cu含量,增加了两步法Cu-ADI中残余奥氏体含量,抑制了上贝氏体和马氏体的形成,显著提高了两步法Cu-ADI的塑韧性,从而提升了疲劳极限和断裂韧性。固定Cu含量为1.4%,通过改变球化剂和一次孕育剂加入量,调控石墨形貌和石墨球数量,研究了石墨形貌和数量对两步法Cu-ADI疲劳性能和断裂韧性的影响。随着球化剂加入量由0.7%增至1.5%时,球化级别由6级逐渐提升至1级,石墨形貌分别为蠕虫状、团状和规整的球状,各项力学性能显著增加,并在石墨形貌呈规整的球状时达到最佳,此时抗拉强度为1267MPa,屈服强度为1150MPa,延伸率达到11%,冲击功为102.5J,疲劳极限为499MPa,断裂韧性达到73.06 MPa·m1/2。随着一次孕育剂加入量由0.6%增加至1.6%时,石墨球数量由40个/mm2增加至121个/mm2。随石墨球数量的增加,两步法Cu-ADI的各项力学性能变化不大。因此,石墨形貌是影响两步法Cu-ADI疲劳性能及断裂韧性的关键因素,而石墨球数量的影响较小。蠕虫状石墨割裂了基体组织,同时蠕虫状石墨周围的基体产生较大的应力集中,即使在低循环载荷时,疲劳裂纹也会发生扩展,并形成多个疲劳裂纹源。规整的球状石墨有效地降低了石墨周围基体的应力集中,延缓了两步法Cu-ADI疲劳裂纹的萌生,另外,在疲劳裂纹萌生过程中需先沿石墨-基体界面开裂,规整的石墨球能够增加裂纹扩展过程中的塑性区尺寸,增加了疲劳裂纹萌生和扩展的阻力。球化良好的两步法Cu-ADI具有高的疲劳性能和断裂韧性。通过改变两步等温淬火热处理工艺调控基体组织,研究了基体组织对两步法Cu-ADI疲劳性能与断裂韧性的影响。结果表明:随着残余奥氏体含量及其碳含量的增加,两步法Cu-ADI的疲劳性能与断裂韧性升高;随着针状铁素体和残余奥氏体的细化,两步法Cu-ADI的疲劳性能与断裂韧性也升高;当残余奥氏体发生分解或碳化物析出时,其疲劳性能及断裂韧性急剧降低。建立了残余奥氏体含量、残余奥氏体碳含量、屈服强度与疲劳性能之间的定量关系模型,即σf=2.43σy（XγCγ）1/2+282。断裂韧性与残余奥氏体含量、残余奥氏体碳含量、屈服强度之间存在重要联系,并且还与残余奥氏体的稳定性密切相关。随残余奥氏体稳定性降低,材料断裂需同时克服塑性变形功及相变能,因而两步法Cu-ADI的断裂韧性升高,当残余奥氏体稳定性进一步降低时,ADI未充分变形即发生相变因而所需克服的塑性变形功降低,且形成的马氏体产生较大的内应力,有利于裂纹的扩展,因此断裂韧性显著下降。
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