車用QT700球墨鑄鐵低周疲勞性能試驗研究

摘 要：QT700球墨鑄鐵被大量應(yīng)用于汽車曲軸、連桿、凸輪軸、氣缸套等零件。文章采用QT700球墨鑄鐵表面光滑的棒材試樣為研究對象，通過軸向不同應(yīng)變幅控制的低周疲勞試驗，研究了QT700球墨鑄鐵材料在室溫條件下的低周疲勞行為，包括拉伸應(yīng)力-應(yīng)變、循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變、應(yīng)變疲勞壽命特點，給出了相應(yīng)的疲勞參數(shù)。試驗結(jié)果表明，QT700在0.3%-0.7%應(yīng)變幅值循環(huán)作用下出現(xiàn)循環(huán)硬化效應(yīng)。利用數(shù)據(jù)處理軟件，參照GB/T 15248-2008附錄A函數(shù)關(guān)系式，在雙對數(shù)坐標(biāo)系下擬合出了應(yīng)變-壽命曲線。

關(guān)鍵詞：QT700球墨鑄鐵；低周疲勞；循環(huán)硬化；疲勞壽命

前言

鑄鐵在汽車制造業(yè)應(yīng)用很廣，據(jù)統(tǒng)計，汽車的鑄鐵用量占這車金屬重量的50%以上。其中QT700球墨鑄鐵被大量應(yīng)用于載荷大、受力復(fù)雜的零件，如汽車曲軸、連桿、凸輪軸、氣缸套等[1]。隨著市場競爭的日趨激烈，產(chǎn)品的品質(zhì)成了產(chǎn)品競爭的重點發(fā)展方向，其中產(chǎn)品的疲勞壽命在工程機械行業(yè)中備受關(guān)注。汽車主要零件和結(jié)構(gòu)件的失效方式多數(shù)是疲勞，其中鑄鐵零件也不例外，因此鑄鐵的疲勞壽命分析對于汽車應(yīng)用材料的選取、輕量化結(jié)構(gòu)件材料的替代是至關(guān)重要的研究內(nèi)容，產(chǎn)品的疲勞壽命已成為現(xiàn)代設(shè)計的一個重要指標(biāo)。與傳統(tǒng)的動靜強度要求相比，現(xiàn)代設(shè)計需要了解了解產(chǎn)品的使用環(huán)境，應(yīng)用現(xiàn)代疲勞理論，結(jié)合試驗驗證，從而確保所需要的疲勞壽命[2]。汽車零件在交變載荷作用下發(fā)生疲勞失效，對汽車壽命、安全系數(shù)有很大影響，因此研究鑄鐵材料在應(yīng)變控制條件下的低周周疲勞性能，在汽車應(yīng)用材料的選取，零件的性能優(yōu)化，結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命估算等方面具有重大意義。

文章為了獲取各種車型用QT700球墨鑄鐵零部件的材料性能參數(shù)，運用MTS電液伺服疲勞試驗設(shè)備以及MTS引伸計裝置通過控制應(yīng)變的低周疲勞試驗研究了用于底盤的 QT700球墨鑄鐵的低周疲勞壽命關(guān)系，利用其配備的數(shù)據(jù)處理軟件，記錄下應(yīng)力-應(yīng)變、應(yīng)變-壽命等數(shù)據(jù)，從而繪制出疲勞壽命預(yù)測曲線并計算出其疲勞參數(shù)。

1 試驗材料及方法

試驗采用用于汽車制造工業(yè)的QT700球墨鑄鐵，材料的化學(xué)成分和常規(guī)力學(xué)性能如表1和表2所示。

試驗通過對QT700球墨鑄鐵做靜態(tài)拉伸試驗及應(yīng)變疲勞試驗，獲取材料的力學(xué)性能以及繪制出材料的低周疲勞壽命E-N曲線。低周疲勞試驗的試驗設(shè)備、試樣制備、試驗程序、試驗結(jié)果的處理參照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》和GB/T 26077-2010《金屬材料 疲勞試驗 軸向應(yīng)變控制方法》的要求進行，其中試驗設(shè)備采用電液伺服疲勞試驗機，試樣尺寸參照標(biāo)準(zhǔn)棒材試樣制定，試樣均由高精度數(shù)控機床加工，表面再進行沿軸向打磨拋光等冷加工處理，試樣加工圖如圖1所示。

本次試驗在常溫、大氣環(huán)境下進行，利用量程為8mm的MTS軸向引伸計控制應(yīng)變，按照拉壓對稱三角波進行試驗加載，軸向應(yīng)變范圍為±0.3%-±0.7%，每個應(yīng)變等級擬定4-8個樣件，以獲得四個有效數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，試樣斷口在引申計標(biāo)距內(nèi)視為有效數(shù)據(jù)。由于在高應(yīng)變幅載荷下，試樣夾持時的微小對中誤差就會導(dǎo)致試樣發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，試驗前期及試驗過程一定要保證試樣與夾頭處在同一豎直直線上，此外，試驗的加載速率也會對試驗過程有直接影響，為了降低設(shè)備控制精度等微小影響，本試驗試驗的應(yīng)變速率、應(yīng)變幅值、試驗頻率按如下公式計算

循環(huán)波形為三角波，應(yīng)變比R？著為-1，保持應(yīng)變速率為0.08/s恒定，從而計算出各級應(yīng)變水平對應(yīng)的試驗頻率。

試驗過程中兩個波峰（波谷）出現(xiàn)差值時的數(shù)據(jù)要特別注意，需要進行數(shù)據(jù)處理，試驗過程中用溫度測試儀測試溫度，確保無較大溫差變化。疲勞壽命（Nf）以材料試驗的最大拉伸載荷相對于試驗穩(wěn)定周次的最大載荷下降30%為失效判據(jù)。

2 試驗方案設(shè)計

（1）MTS液壓伺服疲勞試驗機試驗前的熱機與調(diào)試，調(diào)節(jié)其控制系統(tǒng)的PID，從而達到穩(wěn)定精準(zhǔn)的控制，降低液壓缸、液壓柱運動過程中的波動。

（2）試樣尺寸測量，利用千分尺及游標(biāo)卡尺測量試樣的厚度、寬度、平行段長度，并進行標(biāo)記記錄，用于計算伸長率、縮徑率等數(shù)據(jù)。

（3）引伸計安裝，采用量程8mm的引伸計，安裝于試樣上，標(biāo)距在試樣平行段間，且保證引伸計處于試樣正中間，利用橡皮筋固定。

（4）試樣安裝前，利用其他標(biāo)準(zhǔn)樣件對設(shè)備進行對中試夾，保證上下夾持端處于同一水平面內(nèi)，從而提高控制的精準(zhǔn)度，減小試驗誤差。

（5）試樣安裝后，輸入試樣尺寸參數(shù)，首先進行幾次單向加載試驗，對比測定的彈性模量，看是否有較大誤差，以便能夠及時進行修正。

（6）設(shè)置引伸計保護、設(shè)備保護，選擇試驗過程中的控制方式，前期利用引伸計的監(jiān)測采用應(yīng)變控制進行實驗，檢測到兩個波峰或波谷之間差值超限后，利用力傳感器采用力控制進行試驗，試驗完成后，首先要改變也是控制方式，注意要改成位移控制后拆卸試樣。

（7）試驗完成后，對試驗過程中記錄的試驗數(shù)據(jù)編號保存，試樣的裂口出現(xiàn)在標(biāo)距內(nèi)為成功試驗，其數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)，打開數(shù)據(jù)處理軟件，提取保存的各個應(yīng)變幅值的有效實驗數(shù)據(jù)擬合曲線。

3 試驗結(jié)果分析

試驗數(shù)據(jù)處理，利用數(shù)據(jù)處理軟件獲取試驗的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，工程應(yīng)力、應(yīng)變與真實應(yīng)力、應(yīng)變的轉(zhuǎn)換關(guān)系通過如下公式

根據(jù)彈性應(yīng)變幅-失效反向數(shù)和塑性應(yīng)變幅-失效反向數(shù)的擬合曲線得到應(yīng)變幅-失效反向數(shù)曲線，即應(yīng)變-壽命曲線，如圖5曲線所示。

由圖5不難看出，在不同循環(huán)應(yīng)變加載情況下，隨著循環(huán)加載應(yīng)變幅的提高，疲勞壽命逐漸降低，整個曲線成冪函數(shù)下降趨勢。

塑形應(yīng)變的大小能夠反映材料耗能能力以及抗拉壓能力，而且塑形應(yīng)變的大小能夠直接影響材料的疲勞壽命，球墨鑄鐵QT700在應(yīng)變幅？著a？燮0.3%條件下，疲勞性能基本穩(wěn)定，塑形應(yīng)變很微小，在應(yīng)變幅？著a？叟0.4%條件下，塑形應(yīng)變開始顯著提高，直接影縮短了材料的疲勞壽命。

利用數(shù)據(jù)處理軟件在雙對數(shù)坐標(biāo)下對應(yīng)力幅與塑性應(yīng)變幅進行線性擬合得到lg（？駐？滓/2）-lg（？駐？著p/2）曲線，？駐？滓/2與？駐？著p/2關(guān)系為：

4 結(jié)束語

（1）根據(jù)GB/T 15248-2008附錄A函數(shù)關(guān)系式，得出QT700疲勞壽命關(guān)系式為：

（2）車用材料QT700在零件成型前進行合理的預(yù)拉伸變形，應(yīng)

變控制在0.3%以下，不僅不會損壞材料的疲勞性能，反而能夠增強其使用的可靠性。

（3）材料應(yīng)用于車身底盤時，可以通過控制應(yīng)變范圍低于0.3%的拉伸、沖壓提高材料本身的疲勞性能，在同等強度情況下，球墨鑄鐵QT700可以逐步代替原來碳素鋼、合金鋼制造車身底盤零件，從而達到汽車輕量化的目標(biāo)。

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作者簡介：郭偉壯（1990-），男，河北邯鄲，主要研究方向為車輛。

*通訊作者：崔國華