机械结构用高强度等温淬火球墨铸铁超高周疲劳行为及破坏机理研究

The austempered ductile iron (ADI) is a new kind of engineering material with good properties and it has been applied to such machine components as crankshafts, gears and railway wheels. Now, the study on the anti-wear properties of it has been carried out a lot, while the research on the fatigue property, especially the gigacycle fatigue perperty, has not been conducted in detail.In this study, two kinds of ductile cast iron blanks with the same chemical compositions and different graphite nodule sizes are to be treated by the austempering treatments to obtain ADI with three strength grades, respectivly. The gigacycle fatigue tests (10^4-10^9 cycles) are to be conducted by conventional fatigue machine. The fatigue fracture behaviors, the characteristics of S-N curve including gigacycle regime and the influence of microstructure and graphite nodule size on fatigue behaviors and properties will be investigated. The internal crack initiation and porpagation progress are to be simulated and the fracture mechanism of ADI in gigacycle regime will be revealed.This study can supply information for new ADI development and optimization of ADI property, material selecting and design for ADI components. Besides, it can lay a foundation for establishment of the ADI standard satisfying the situation in China.

等温淬火球墨铸铁（ADI）作为一种性能优良的新型工程材料，已在曲轴、齿轮和铁路车轮等机械结构中得到应用。目前，研究者对其抗磨损性能研究较多，但是对其疲劳性能特别是超高周疲劳性能的研究尚显不足。本研究选用化学成分相同而石墨球尺寸不同的两种球墨铸铁坯料，经过不同的等温淬火工艺处理，分别获得三种强度等级的ADI材料，然后使用常规频率疲劳试验机开展10^4-10^9周次的超高周疲劳试验，明确ADI材料的超高周疲劳破坏行为和S-N曲线特性，研究微观组织和石墨球尺寸对ADI材料超高周疲劳行为和性能的影响，仿真分析内部裂纹萌生和扩展过程，最终揭示ADI材料的超高周疲劳破坏机理。本研究不仅为新型ADI材料的研发和性能优化提供理论指导、为ADI构件的选材和设计提供依据，还可为符合我国国情的ADI材料标准的制定奠定基础。

随着高强度等温淬火球墨铸铁（ADI）材料在机械结构中的广泛应用，保证其服役安全性的疲劳研究已相对滞后。本研究通过优化热处理工艺，成功制取了符合GB/T24733-2009标准要求的三种强度等级的ADI材料，然后开展了10^9周次超高周疲劳研究，结果表明，三种强度ADI材料在超高周区域均没有传统的疲劳极限，在短寿命区域，疲劳破坏萌生自试样表面的石墨球或缩孔，而在长寿命区域，疲劳破坏萌生自试样内部的石墨球或缩孔。具有细小下贝氏体组织的高强度ADI材料具有更好的抵抗裂纹扩展能力，也具有更高的疲劳强度。和常规频率加载相比，超声频率加载下ADI材料具有一致的裂纹萌生、扩展性能和相似的疲劳破坏行为。ADI材料中缺陷尺寸对疲劳性能有明显影响，通过优化铸造工艺，降低铸造缺陷尺寸后，疲劳强度得以提高，且基于缺陷尺寸的疲劳强度评估结果和试验结果相一致。对疲劳破坏初始裂纹的定量评估表明，当初始裂纹对应的应力强度因子大于内部裂纹扩展门槛值时，疲劳裂纹可以自初始缺陷直接扩展，否则，在缺陷的周围需要形成GBF区域之后才能进一步扩展。低应力加载后在高应力下中断试样的疲劳试验表明，GBF区域在超高周疲劳过程的早期萌生并长大，从而导致疲劳破坏的发生。相关研究成果可以为ADI构件的选材和设计，以及高性能ADI材料开发提供指导。