基於兩步等溫淬火Cu合金化ADI的疲勞性能及機理

《基於兩步等溫淬火Cu合金化ADI的疲勞性能及機理》是依託哈爾濱理工大學，由王麗萍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於兩步等溫淬火Cu合金化ADI的疲勞性能及機理
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王麗萍
• 依託單位：哈爾濱理工大學

項目摘要

兩步等溫淬火球鐵具有優異的綜合力學性能，是一種套用前景廣闊的工程材料。研究兩步等溫淬火球鐵(ADI)的疲勞性能及機理是促進和保障其安全套用的關鍵。本項目通過調整兩步等溫淬火工藝參數，製備不同微觀組織的ADI；研究基體組織、石墨形態和分布對疲勞極限和疲勞裂紋擴展率的影響，闡明基體組織、石墨形態和分布與疲勞斷裂的內在聯繫，揭示兩步等溫淬火球鐵的疲勞斷裂機理。 在此基礎之上，本項目提出添加Cu元素提高兩步等溫淬火球鐵疲勞性能的新思路。研究Cu元素對ADI基體組織及疲勞性能的影響，研究疲勞斷口形貌和斷裂方式，闡明Cu合金化ADI疲勞裂紋萌生及擴展的內在原因，建立Cu合金化、基體組織、石墨形態及分布與疲勞斷裂的內在聯繫，揭示兩步等溫淬火Cu合金化ADI的疲勞斷裂機理，為發展兼具優異常規力學性能及良好疲勞性能的新型ADI奠定基礎。

結題摘要

現代工業對結構材料提出了嚴格的輕量化、強韌化要求。兩步法ADI能夠大幅提高塑韌性，而不降低強度，為滿足輕量化提供可能。但這種新型ADI的強化機制尚未明確，尤其是疲勞性能及機理更是未見報導。為此，本課題通過調控球化劑加入量、熱處理工藝參數、Cu元素含量製備多種組織特徵的兩步法ADI試樣，並對其力學性能及疲勞性能進行了研究。利用透射電鏡觀察了其形貌特徵，並繪製了C3.6Si2.5Mn0.4Cu1.4球墨鑄鐵的TTT曲線及CCT曲線。 通過調控球化劑加入量，獲得了不同石墨形貌及分布的兩步法ADI試樣。隨球化效果的提升，兩步法ADI各項性能顯著提升。球化水平較高時，石墨球直徑分布及其精細結構會決定兩步法ADI性能。疲勞裂紋容易在聚集的石墨球團及大尺寸石墨球處萌生，大尺寸石墨球會促進疲勞裂紋擴展。 通過調控兩步等溫淬火工藝參數，觀察分析了基體組織形貌及分布的變化規律。並研究了兩步等溫淬火相變程度對ADI組織性能的影響。隨一步相變程度增加，力學性能顯著提高，當一步相變數超過25%後，力學性能反而降低。隨二步相變程度增加，ADI強度升高，塑韌性降低。疲勞性能受基體組織影響明顯，疲勞極限隨奧氏體含量增加變化不明顯，但隨奧氏體穩定性提高而增加。高周疲勞行為隨奧氏體含量增加而提高，表明殘餘奧氏體能夠抑制兩步法ADI疲勞裂紋擴展，對疲勞裂紋萌生影響不大。疲勞裂紋萌生能力決定於組織粗細程度。 通過調控Cu加入量，改變了基體組織形貌及分布。隨Cu含量提升，兩步法ADI殘餘奧氏體含量增加，奧氏體穩定性提高，組織略有粗化。力學性能隨Cu含量增加先升高后降低。Cu含量低於0.8%，隨Cu含量增加，疲勞性能顯著提升。Cu含量超過0.8%，隨Cu含量提升疲勞極限略有降低，但高周疲勞行為得到增強。結果表明，Cu通過固溶強化及影響碳原子擴散，改變了組織形貌及分布，進而影響了力學性能。 總之，任何細化石墨球與基體組織、最佳化石墨球直徑分布、增加殘餘奧氏體含量及其穩定性的手段都有利於提高兩步法ADI力學性能及疲勞性能，這為相似研究提供了理論支持。