论文部分内容阅读
柴油机缸盖是一种结构复杂的薄壁铸铁件。蠕墨铸铁因其具有良好的热导性和高温强度，能够满足高功率密度柴油机缸盖的设计要求，在科学研究和工程制造方面受到广泛关注。在使役过程中，缸盖的迎火面受高温高压燃气、循环冷却水的作用，这导致缸盖底板温度场、应力场分布的差异，从而引起缸盖局部损伤开裂。本文以缸盖的服役环境为切入点，采用热暴露技术模拟工况条件研究了蠕墨铸铁微观组织演变对室温拉伸性能的影响;利用原位拉伸扫描电镜技术研究了拉伸性能随温度的转变机制;研究了不同温度下的低周、高周疲劳性能和相应的损伤机制以及微观组织对蠕墨铸铁的室温疲劳强度的影响;在这些研究的基础上，探讨了拉伸和疲劳性能的优化方法。这些研究加深了对不同温度下蠕墨铸铁的拉伸和疲劳性能以及损伤机制的认识，为高性能蠕墨铸铁材料的优化设计和高可靠性缸盖的制备提供实验证据与理论指导。本论文主要研究成果如下: 1)蠕墨铸铁的铸态组织（基体为铁素体和珠光体）的主要分布特征为团簇状分布的蠕虫状石墨嵌在铁素体中，两者形成铁素体区，在铁素体区之间分布着珠光体;在高温下，渗碳体不稳定，易分解为铁素体和碳原子;过饱和碳原子容易在基体中扩散，与其他合金元素结合析出，形成碳化物颗粒，或者扩散至原有石墨颗粒上，或者聚集形核长大成为新的石墨颗粒。 2)蠕墨铸铁的拉伸损伤机制是:蠕虫状石墨剥离形成微裂纹，裂纹尖端铁素体的塑性变形方式从位错滑移（滑移带阶段）转变为空位向晶界扩散（界面滑动阶段），最终表现为微裂纹穿过基体聚合长大形成主裂纹;与拉伸损伤机制相比，疲劳试样表面的石墨颗粒优先剥离，同时石墨初始剥离数量显著减少。 3)石墨含量不变时，蠕墨铸铁的抗拉强度随着珠光体含量的提高（铁素体含量的降低）而提高，原因在于珠光体的强度、加工硬化率高于铁素体的，在相同名义应力下滑移带不易在珠光体中形成;蠕墨铸铁的拉伸屈服强度σs与基体屈服强度σms、石墨含量wg的关系遵循关系式σ2s=2πγσ2ms（√π/wg-2）/((Y)2(1-2v)2);在25℃～446℃范围，蠕墨铸铁的抗拉强度与温度的关系遵循双指数下降关系，原因在于基体的塑性变形方式为位错滑移，碳原子与位错的交互作用和碳化物析出具有阻碍位错运动的作用;在446℃～600℃范围，蠕墨铸铁的抗拉强度与温度的关系遵循单指数下降关系，原因在于基体的塑性变形方式为由空位扩散引起的界面滑动变形。 4)在25℃、400℃以及500℃，总应变幅相同的情况下，400℃时蠕墨铸铁的疲劳寿命最长;这个规律可以采用弹性应变幅-寿命关系式进行描述，这是因为400℃时基体中碳原子和析出碳化物阻碍了位错运动，铁素体不易发生塑性变形，石墨的剥离数量增加，在宏观上表现为塑性应变幅降低，弹性应变幅提高。 5)蠕墨铸铁的疲劳强度σw与基体光滑试样的疲劳强度σmw、塑性区与基体面积的比值ψ、石墨含量wg和基体含量wm的关系遵循关系式σw=σmw√1-1/√1+ψ·wm/wg;提高珠光体含量，有利于提高基体的疲劳强度，不利于提高基体的延性;延性的降低会降低蠕虫状石墨周围塑性区宽度，导致ψ值降低;提高石墨含量或温度，均会降低蠕墨铸铁的疲劳强度，这是因为前者降低了基体和石墨含量的比值，后者降低了基体的疲劳强度。 6)适当提高珠光体含量，减小石墨颗粒尺寸，促进石墨均匀化分布，同时添加合金元素促进高温碳化物析出，这样在提高基体室温和高温强度的同时，可以保证塑性区面积与石墨面积具有适当的比值，同时避免了石墨聚集导致局部石墨面积含量偏高的现象，最终实现在室温和高温下蠕墨铸铁的抗拉、疲劳强度以及低周疲劳寿命的同步提高。