本文介紹了在意大利進(jìn)行的研究項(xiàng)目中獲得的關(guān)于球墨鑄鐵（DI）、奧氏體等溫淬火球墨鑄鐵（ADI）和 鐵素體等溫淬火球墨鑄鐵（IDI）的最新知識。它提供了關(guān)于 DI、ADI和IDI的疲勞性能、缺口敏感性以及未加工表面的疲勞性能的信息。還將展示一些案例研究。

已開發(fā)出以下等級的 ADI：SAE J2477 AD750、ISO 17804 JS/800-10、ISO 17804 JS/900-8 和 ISO 17804 JS/1050-6。近年來，低硬度等級 ADI 的合金化成本上升導(dǎo)致新應(yīng)用的增長速度放緩，從而為發(fā)明 IDI創(chuàng)造了機(jī)會。

ADI 的高強(qiáng)度等級 ISO 17804 JS/1200-3、ISO 17804 JS/1400-1（ISO17804 JS/HBW400）、ISO 17804 JS/HBW450 也被推薦給工程師，具有競爭力的加工機(jī)會，并集成到制造過程中。ADI 成功的關(guān)鍵因素之一是工藝集成：設(shè)計(jì)、鑄造、熱處理工藝和加工必須被視為一個(gè)整體過程。

除了可加工的 ADI 等級（最高至 ISO 17804 JS/1200-3）外，生產(chǎn)的相當(dāng)一部分由 ISO 17804 JS/1400-1 等級組成，這是典型的耐磨材料，硬度可達(dá) 480 HB。對于這些在熱處理前進(jìn)行加工的高硬度等級，需要在熱處理后保持尺寸精度和重復(fù)性。這種重復(fù)性是通過對鑄造和熱處理過程的嚴(yán)格工藝控制來實(shí)現(xiàn)的。

對 ADI 特性知識的不斷改進(jìn)促使研究其疲勞特性。ADI 和 IDI 的開發(fā)需要從設(shè)計(jì)到加工階段的高度工藝整合。因此，必須非常清楚地了解它們的性能，特別是在疲勞設(shè)計(jì)的情況下。

1.1. ADI 的應(yīng)用 

ADI 最典型的應(yīng)用如下：ADI SAE J2477 AD750,ISO 17804 JS/800-10 , ISO 17804 JS/900-8 特別開發(fā)用于卡車懸架部件、動力傳動部件、車軸部件、叉車部件、卡車起重機(jī)部件。

ISO 17804 JS/1050-6 主要市場包括土方機(jī)械底盤部件、乘用車懸掛部件和曲軸。

ISO 17804 JS/1200-3 主要用于車輛的耐磨零件和齒輪，以及需要在疲勞/沖擊和耐磨性能之間達(dá)到優(yōu)化平衡的土方機(jī)械底盤部件。

ISO 17804 JS/1400-1 (ISO 17804 JS/HBW400) 和 ISO 17804 JS/HBW450 主要用于同一市場，也適用于碎石機(jī)和采礦應(yīng)用，當(dāng)耐磨性要求較高時(shí)。

等溫鐵素體球墨鑄鐵IDI被定義為介于低硬度等級ADI和珠光體DI 之間的中間等級。

已根據(jù) ISO 17804:2005 標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)制定了名為ZND STD 101:2007 的公司標(biāo)準(zhǔn)，旨在定義、指定和描述等溫鐵素體球墨鑄鐵IDI的特性和要求。

與球墨鑄鐵珠光體等級（參見 ISO1083:2004）相比，等溫鐵素體球墨鑄鐵（IDI）通過等溫?zé)崽幚韺?shí)現(xiàn)了相似的強(qiáng)度與更高的韌性。等溫球墨鑄鐵（IDI）是通過對未合金化的球墨鑄鐵進(jìn)行熱處理生產(chǎn)的，該鑄鐵在金屬浴經(jīng)過特殊預(yù)處理后形成的。

球墨鑄鐵的等溫?zé)崽幚碇饕ǎ?/span>

-將鑄件加熱至臨界溫度以上； 

=以能夠促進(jìn)珠光體形成的速率冷卻；

該過程產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)主要由鐵素體和珠光體組成，其分布與常規(guī)鑄態(tài)等級的形狀不同。這種新的基體被稱為“等溫鐵素體”，并賦予新材料獨(dú)特的機(jī)械性能。IDI沒有添加合金。

這一方面在成本和技術(shù)性能上都得到了充分利用。事實(shí)上，不含合金（尤其是鉬）意味著更少的偏析，從而降低了對厚度的敏感性。

圖1.IDI金相：（a)放大100倍;(b)放大500倍；

2.1. IDI機(jī)械性能 

該材料的機(jī)械性能見表 1 至表 3。

表 1. 根據(jù) ISO 6892標(biāo)準(zhǔn)，在單鑄或附鑄試塊測得的機(jī)械性能

表 2. 根據(jù) ISO 6506-1測量的布氏硬度指導(dǎo)值

表 3. 根據(jù) ISO 148-1,2,3測量的“典型”無缺口沖擊韌性值

2.2. IDI 疲勞性能 

表4和圖2中繪制的結(jié)果顯示了在室溫下典型的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞抗力σA,g以及模式I應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔKth 的閾值范圍，置信水平為95%；在所有情況下，名義應(yīng)力均參考總截面。以下符號σA,g, σ0,σg,th,σth是等效的。

疲勞極限通過使用 Brownlee-Hodges-Rosenblatt 短階梯法（運(yùn)行至 5·10^6 次循環(huán)）獲得，而Wohler 曲線中的有限壽命區(qū)間則根據(jù) ASTM E739-91和“q”-Herzberg 計(jì)算。樣品制備依據(jù) ISO 1143標(biāo)準(zhǔn)，其幾何形狀見圖3。

表 4. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖 2. (a) 典型IDI加工無缺口、直徑 6.5 mm、旋轉(zhuǎn)彎曲的Wohler曲線；(b) 典型 Kitagawa圖

圖3.試樣

?Kth是采用間接方法測量：材料在無缺口和缺口條件下進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)彎曲（R = -1）測試，疲勞極限通過上述短階梯法計(jì)算得出。缺口條件對于確定Kitagawa圖中斷裂力學(xué)線的位置是必要的，假設(shè)斜率為-0.5。斷裂力學(xué)中采用的形狀因子α或有效缺口深度α2a 以及應(yīng)力集中因子Ktg通過使用ANSYS 5.6?代碼進(jìn)行的有限元分析確定。圖4 至5(b)比較了IDI和ADI 800的疲勞性能。

圖 4. IDI與ADI 800對比：(a)旋轉(zhuǎn)彎曲加工無缺口、直徑6.5毫米的典型Wohler曲線；(b) Kitagawa圖

圖 5. IDI與ADI 800 對比：(a) Goodman-Smith圖；(b) 從單鑄試樣加工的無缺口試樣的沖擊行為（典型值），相關(guān)厚度為30毫米

一般而言，在高循環(huán)水平下，使用ADI等級的 JS/1050-6（ADI 1050）將獲得最佳性能；與珠光體球墨鑄鐵相比，IDI代表了重要的改進(jìn)，顯示出介于珠光體球墨鑄鐵和 ADI之間的中間特性。

2.3. 沖擊性能 

IDI顯示出介于珠光體球墨鑄鐵和ADI之間的中間值；在溫度方面，IDI的沖擊行為類似于ADI等級 JS/800-10的傳統(tǒng)沖擊（見圖 5(b)）。與珠光體球墨鑄鐵相比，IDI的沖擊值更高。

2.4. IDI加工性能 

等溫淬火鐵素體球墨鑄鐵（IDI）的加工性能與相同硬度的珠光體/鐵素體球墨鑄鐵相當(dāng)，其顯著優(yōu)勢在于，由于熱處理的原因，其硬度范圍相較于常規(guī)鑄造工藝更低。

關(guān)于“鑄態(tài)”表面對球墨鑄鐵（DI 鐵）特別是奧貝球鐵（ADI 鐵）疲勞抗力影響的知識非常少，這主要是由于實(shí)驗(yàn)研究不足。然而，表面質(zhì)量的巨大差異和缺陷形狀的復(fù)雜性使得理論模型的構(gòu)建極為困難。因此，本章的目的僅是提出一種可能的ADI鑄件疲勞設(shè)計(jì)方法，并提供一些信息，作為國際材料標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。材料性能數(shù)據(jù)來源于有限的研究項(xiàng)目和/或文獻(xiàn)，在某些情況下，它們僅是未來研究中需要考慮的假設(shè)。

通過將球墨鑄鐵澆注在濕砂型中獲得的典型“鑄態(tài)”表面（見圖 6），由以下多層結(jié)構(gòu)組成：

-鑄件表皮：是與模具接觸的第一層；厚度僅為幾微米，且不含石墨球。由于金屬-鑄型界面處的高的初始冷卻速率，表層的晶格包含大量位錯(cuò)、空位、間隙原子、晶界等。平均表面粗糙度為Ra=12.5um;

-一個(gè)約0.8毫米厚的過渡層，位于表層下方，將其與基體材料連接。通常，根據(jù)化學(xué)成分的組成，它主要由細(xì)密且緊湊的鐵素體結(jié)構(gòu)組成，含有少量粗大的石墨球；這是由于金屬-鑄型的相互作用所致。該層還包含許多尺寸遠(yuǎn)小于其材料常數(shù)的小不連續(xù)性，目前尚不清楚a0層的具體值；由于無法避免，我們可以將它們視為該結(jié)構(gòu)的一部分；

-缺陷，如砂眼、夾渣、氣孔、裂紋、縮孔或凹痕等。通常，它們的尺寸大于材料常數(shù) a0層，并且其尺寸可以延伸到具有已知材料常數(shù)a的基體材料。

圖 6. (a) 典型濕型砂鑄件表面，100 倍放大；(b) 砂眼，200 倍放大

圖 7. 從鑄件表皮到基體材料的典型HV 1 剖面（根據(jù) UNI EN ISO 6507/1 06）

3.1. 健全未加工表面 

我們引入了之前定義的“健全未加工表面”概念，排除了缺陷；這是普通濕砂工藝所能達(dá)到的最佳狀態(tài)。對于珠光體球墨鑄鐵和ADI，可視為具有相似機(jī)械性能的材料，而對于鐵素體球墨鑄鐵則大不相同；圖 7 從顯微硬度的角度展示了這一點(diǎn)。請注意，隨著ADI基體材料中顯微硬度的增加，其碳含量相較于過渡層更高。一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型其影響“KL”對疲勞極限已使用以下公式1計(jì)算得出：

Rp0.2為材料的屈服強(qiáng)度。

關(guān)于“未加工表面”條件下的?Kth，必須考慮線彈性斷裂力學(xué)（L.E.F.M）適用于長裂紋，即從大缺陷中產(chǎn)生的裂紋：由于其尺寸，它們的作用和傳播?Kth與整體材料相同。

DI、IDI和ADI 的典型值如下表5所示，對于“完好未加工表面”的疲勞極限σ0P.S50% 按照公式1計(jì)算。

從“完好未加工表面”基線出發(fā)，在存在缺陷，如夾渣、夾砂、氣孔、深裂紋和凹痕的情況下現(xiàn)在讓我們考慮如何計(jì)算疲勞極限。

在存在缺陷的情況下，疲勞極限由裂紋不擴(kuò)展的條件決定，這是由于局部應(yīng)力峰值引起的。我們假設(shè)裂紋萌生發(fā)生在表面層內(nèi)。即使缺陷呈圓形，由于表面在任何情況下都不光滑，因此不需要考慮應(yīng)力集中系數(shù)Ktg（相對于總截面）。我們假設(shè)缺陷的尺寸與總橫截面相比很小。例如圖8(b)展示了ADI 050 的“健全未加工表面”相關(guān)的Kitagawa圖。

表5.所有“加工”條件下的DI、IDI 和 ADI的KL計(jì)算值

圖8. ADI 1050（R = -1，P.S. 50%）的 (a)“良好未加工表面”條件下的Goodman-Smith圖；(b)“良好未加工”條件下的Kitagawa, 

圖 8(a)證實(shí)了高強(qiáng)度材料對表面條件表現(xiàn)出更高的敏感性。此外，在高平均應(yīng)力情況下，與 DI和IDI相比，ADI顯示出更高的抗疲勞性。

圖 8(b)中的Kitagawa圖，根據(jù)先前定義的假設(shè)，允許定義材料常數(shù)a0層。特別是，它表明“鑄態(tài)”表面對疲勞極限降低的影響集中在短裂紋與長裂紋之間的過渡區(qū)域；實(shí)際上，考慮到缺陷、尖銳缺口或長裂紋，每個(gè)都具有較高的有效深度值α2a，無論表面是否經(jīng)過加工處理，疲勞極限對于加工表面或“鑄態(tài)”表面都是相同的，這是使用塊體材料的?Kth計(jì)算得出的。

一旦已知有效缺陷深度α2a，Kitagawa圖允許我們估計(jì)存活概率為50%時(shí)的疲勞極限。

從應(yīng)力強(qiáng)度因子等式開始：

并用適用于表面裂紋的Murakami提出的表達(dá)式替換KI：

可獲得如下方程：

常數(shù)k等于 0.42，Area為缺陷光滑輪廓在主要應(yīng)力方向上的投影橫截面積（見圖 9）。根據(jù)我們所考慮的缺陷類型（夾渣、夾砂等），特別是其表示方式，常數(shù)k可以稍作修改。

它適用于夾雜物、氣孔、裂紋（后者也可用斷裂力學(xué)中的解析表達(dá)式處理）等。

對于凹痕同樣適用，但在這種情況下，計(jì)算α2a僅是為了在 Kitagawa 圖中整理數(shù)據(jù)：實(shí)際上，由于其形狀，凹痕的影響應(yīng)通過Ktg來考慮，因?yàn)樗鼈兇蠖嗵幱谕耆笨诿舾袟l件下。然而，凹痕的影響是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，需要進(jìn)一步研究：它取決于沖擊強(qiáng)度、產(chǎn)生的局部壓縮、熱處理后壓縮應(yīng)力的松弛、可能的石墨球破裂、裂紋形成、缺陷的存在等。

圖 9. 任意形狀的缺陷及其等效面積“Area”

END