球墨铸铁的最新发展IDI 上

摘要

本文介绍了在意大利进行的研究项目中获得的关于球墨铸铁（DI）、奥氏体等温淬火球墨铸铁（ADI）和 铁素体等温淬火球墨铸铁（IDI）的最新知识。它提供了关于 DI、ADI和IDI的疲劳性能、缺口敏感性以及未加工表面的疲劳性能的信息。还将展示一些案例研究。

已开发出以下等级的 ADI：SAE J2477 AD750、ISO 17804 JS/800-10、ISO 17804 JS/900-8 和 ISO 17804 JS/1050-6。近年来，低硬度等级 ADI 的合金化成本上升导致新应用的增长速度放缓，从而为发明 IDI创造了机会。

ADI 的高强度等级 ISO 17804 JS/1200-3、ISO 17804 JS/1400-1（ISO17804 JS/HBW400）、ISO 17804 JS/HBW450 也被推荐给工程师，具有竞争力的加工机会，并集成到制造过程中。ADI 成功的关键因素之一是工艺集成：设计、铸造、热处理工艺和加工必须被视为一个整体过程。

符号表

a 组件的参考尺寸，例如缺口深度

α 包含裂缝的组件的几何形状因子

a0 用于断裂力学研究的 El Haddad-Smith-Topper 材料常数

Ktg 指的是试件总体截面的弹性应力集中因子

KI 型应力强度因子

∆Kth 型应力强度因子的阈值范围

KL 表面效应因子：用于估计疲劳极限降低

σg 总名义应力

σy 屈服强度

σf 极限强度

∆σg 总名义应力范围

∆σ0,∆σg,th,∆σth 总名义应力阈值：总名义应力的平均名义应力阈值范围

R 名义应力比

K 斜率:Wohler曲线上有限寿命线的斜率

Tσ 分散范围

Ra  表面粗糙度

E  杨氏模量

ρ 材料密度

Cm 单位重量的材料成本

Mi 材料指数

简介

除了可加工的 ADI 等级（最高至 ISO 17804 JS/1200-3）外，生产的相当一部分由 ISO 17804 JS/1400-1 等级组成，这是典型的耐磨材料，硬度可达 480 HB。对于这些在热处理前进行加工的高硬度等级，需要在热处理后保持尺寸精度和重复性。这种重复性是通过对铸造和热处理过程的严格工艺控制来实现的。

对 ADI 特性知识的不断改进促使研究其疲劳特性。ADI 和 IDI 的开发需要从设计到加工阶段的高度工艺整合。因此，必须非常清楚地了解它们的性能，特别是在疲劳设计的情况下。

1.1. ADI 的应用 

ADI 最典型的应用如下：ADI SAE J2477 AD750,ISO 17804 JS/800-10 , ISO 17804 JS/900-8 特别开发用于卡车悬架部件、动力传动部件、车轴部件、叉车部件、卡车起重机部件。

ISO 17804 JS/1050-6 主要市场包括土方机械底盘部件、乘用车悬挂部件和曲轴。

ISO 17804 JS/1200-3 主要用于车辆的耐磨零件和齿轮，以及需要在疲劳/冲击和耐磨性能之间达到优化平衡的土方机械底盘部件。

ISO 17804 JS/1400-1 (ISO 17804 JS/HBW400) 和 ISO 17804 JS/HBW450 主要用于同一市场，也适用于碎石机和采矿应用，当耐磨性要求较高时。

新材料IDI高周疲劳行为

等温铁素体球墨铸铁IDI被定义为介于低硬度等级ADI和珠光体DI 之间的中间等级。

已根据 ISO 17804:2005 标准的结构制定了名为ZND STD 101:2007 的公司标准，旨在定义、指定和描述等温铁素体球墨铸铁IDI的特性和要求。

与球墨铸铁珠光体等级（参见 ISO1083:2004）相比，等温铁素体球墨铸铁（IDI）通过等温热处理实现了相似的强度与更高的韧性。等温球墨铸铁（IDI）是通过对未合金化的球墨铸铁进行热处理生产的，该铸铁在金属浴经过特殊预处理后形成的。

球墨铸铁的等温热处理主要包括：

-将铸件加热至临界温度以上； 

=以能够促进珠光体形成的速率冷却；

该过程产生的微观结构主要由铁素体和珠光体组成，其分布与常规铸态等级的形状不同。这种新的基体被称为“等温铁素体”，并赋予新材料独特的机械性能。IDI没有添加合金。

这一方面在成本和技术性能上都得到了充分利用。事实上，不含合金（尤其是钼）意味着更少的偏析，从而降低了对厚度的敏感性。

图1.IDI金相：（a)放大100倍;(b)放大500倍；

2.1. IDI机械性能 

该材料的机械性能见表 1 至表 3。

表 1. 根据 ISO 6892标准，在单铸或附铸试块测得的机械性能

表 2. 根据 ISO 6506-1测量的布氏硬度指导值

表 3. 根据 ISO 148-1,2,3测量的“典型”无缺口冲击韧性值

2.2. IDI 疲劳性能 

表4和图2中绘制的结果显示了在室温下典型的旋转弯曲疲劳抗力σA,g以及模式I应力强度因子ΔKth 的阈值范围，置信水平为95%；在所有情况下，名义应力均参考总截面。以下符号σA,g, σ0,σg,th,σth是等效的。

疲劳极限通过使用 Brownlee-Hodges-Rosenblatt 短阶梯法（运行至 5·10^6 次循环）获得，而Wohler 曲线中的有限寿命区间则根据 ASTM E739-91和“q”-Herzberg 计算。样品制备依据 ISO 1143标准，其几何形状见图3。

表 4. 实验数据

图 2. (a) 典型IDI加工无缺口、直径 6.5 mm、旋转弯曲的Wohler曲线；(b) 典型 Kitagawa图

图3.试样

∆Kth是采用间接方法测量：材料在无缺口和缺口条件下进行了旋转弯曲（R = -1）测试，疲劳极限通过上述短阶梯法计算得出。缺口条件对于确定Kitagawa图中断裂力学线的位置是必要的，假设斜率为-0.5。断裂力学中采用的形状因子α或有效缺口深度α2a 以及应力集中因子Ktg通过使用ANSYS 5.6®代码进行的有限元分析确定。图4 至5(b)比较了IDI和ADI 800的疲劳性能。

图 4. IDI与ADI 800对比：(a)旋转弯曲加工无缺口、直径6.5毫米的典型Wohler曲线；(b) Kitagawa图

图 5. IDI与ADI 800 对比：(a) Goodman-Smith图；(b) 从单铸试样加工的无缺口试样的冲击行为（典型值），相关厚度为30毫米

一般而言，在高循环水平下，使用ADI等级的 JS/1050-6（ADI 1050）将获得最佳性能；与珠光体球墨铸铁相比，IDI代表了重要的改进，显示出介于珠光体球墨铸铁和 ADI之间的中间特性。

2.3. 冲击性能 

IDI显示出介于珠光体球墨铸铁和ADI之间的中间值；在温度方面，IDI的冲击行为类似于ADI等级 JS/800-10的传统冲击（见图 5(b)）。与珠光体球墨铸铁相比，IDI的冲击值更高。

2.4. IDI加工性能 

等温淬火铁素体球墨铸铁（IDI）的加工性能与相同硬度的珠光体/铁素体球墨铸铁相当，其显著优势在于，由于热处理的原因，其硬度范围相较于常规铸造工艺更低。

采用湿型砂工艺获得的“铸态”表面ADI高周疲劳性能的最新研究进展

关于“铸态”表面对球墨铸铁（DI 铁）特别是奥贝球铁（ADI 铁）疲劳抗力影响的知识非常少，这主要是由于实验研究不足。然而，表面质量的巨大差异和缺陷形状的复杂性使得理论模型的构建极为困难。因此，本章的目的仅是提出一种可能的ADI铸件疲劳设计方法，并提供一些信息，作为国际材料标准的补充。材料性能数据来源于有限的研究项目和/或文献，在某些情况下，它们仅是未来研究中需要考虑的假设。

通过将球墨铸铁浇注在湿砂型中获得的典型“铸态”表面（见图 6），由以下多层结构组成：

-铸件表皮：是与模具接触的第一层；厚度仅为几微米，且不含石墨球。由于金属-铸型界面处的高的初始冷却速率，表层的晶格包含大量位错、空位、间隙原子、晶界等。平均表面粗糙度为Ra=12.5um;

-一个约0.8毫米厚的过渡层，位于表层下方，将其与基体材料连接。通常，根据化学成分的组成，它主要由细密且紧凑的铁素体结构组成，含有少量粗大的石墨球；这是由于金属-铸型的相互作用所致。该层还包含许多尺寸远小于其材料常数的小不连续性，目前尚不清楚a0层的具体值；由于无法避免，我们可以将它们视为该结构的一部分；

-缺陷，如砂眼、夹渣、气孔、裂纹、缩孔或凹痕等。通常，它们的尺寸大于材料常数 a0层，并且其尺寸可以延伸到具有已知材料常数a的基体材料。

图 6. (a) 典型湿型砂铸件表面，100 倍放大；(b) 砂眼，200 倍放大

图 7. 从铸件表皮到基体材料的典型HV 1 剖面（根据 UNI EN ISO 6507/1 06）

3.1. 健全未加工表面 

我们引入了之前定义的“健全未加工表面”概念，排除了缺陷；这是普通湿砂工艺所能达到的最佳状态。对于珠光体球墨铸铁和ADI，可视为具有相似机械性能的材料，而对于铁素体球墨铸铁则大不相同；图 7 从显微硬度的角度展示了这一点。请注意，随着ADI基体材料中显微硬度的增加，其碳含量相较于过渡层更高。一个统计模型其影响“KL”对疲劳极限已使用以下公式1计算得出：

公式1

Rp0.2为材料的屈服强度。

关于“未加工表面”条件下的∆Kth，必须考虑线弹性断裂力学（L.E.F.M）适用于长裂纹，即从大缺陷中产生的裂纹：由于其尺寸，它们的作用和传播∆Kth与整体材料相同。

DI、IDI和ADI 的典型值如下表5所示，对于“完好未加工表面”的疲劳极限σ0P.S50% 按照公式1计算。

从“完好未加工表面”基线出发，在存在缺陷，如夹渣、夹砂、气孔、深裂纹和凹痕的情况下现在让我们考虑如何计算疲劳极限。

在存在缺陷的情况下，疲劳极限由裂纹不扩展的条件决定，这是由于局部应力峰值引起的。我们假设裂纹萌生发生在表面层内。即使缺陷呈圆形，由于表面在任何情况下都不光滑，因此不需要考虑应力集中系数Ktg（相对于总截面）。我们假设缺陷的尺寸与总横截面相比很小。例如图8(b)展示了ADI 050 的“健全未加工表面”相关的Kitagawa图。

表5.所有“加工”条件下的DI、IDI 和 ADI的KL计算值

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

图 8(a)证实了高强度材料对表面条件表现出更高的敏感性。此外，在高平均应力情况下，与 DI和IDI相比，ADI显示出更高的抗疲劳性。

图 8(b)中的Kitagawa图，根据先前定义的假设，允许定义材料常数a0层。特别是，它表明“铸态”表面对疲劳极限降低的影响集中在短裂纹与长裂纹之间的过渡区域；实际上，考虑到缺陷、尖锐缺口或长裂纹，每个都具有较高的有效深度值α2a，无论表面是否经过加工处理，疲劳极限对于加工表面或“铸态”表面都是相同的，这是使用块体材料的∆Kth计算得出的。

一旦已知有效缺陷深度α2a，Kitagawa图允许我们估计存活概率为50%时的疲劳极限。

从应力强度因子等式开始：

公式2

并用适用于表面裂纹的Murakami提出的表达式替换KI：

公式3

可获得如下方程：

公式4

常数k等于 0.42，Area为缺陷光滑轮廓在主要应力方向上的投影横截面积（见图 9）。根据我们所考虑的缺陷类型（夹渣、夹砂等），特别是其表示方式，常数k可以稍作修改。

它适用于夹杂物、气孔、裂纹（后者也可用断裂力学中的解析表达式处理）等。

对于凹痕同样适用，但在这种情况下，计算α2a仅是为了在 Kitagawa 图中整理数据：实际上，由于其形状，凹痕的影响应通过Ktg来考虑，因为它们大多处于完全缺口敏感条件下。然而，凹痕的影响是一个非常复杂的问题，需要进一步研究：它取决于冲击强度、产生的局部压缩、热处理后压缩应力的松弛、可能的石墨球破裂、裂纹形成、缺陷的存在等。

图 9. 任意形状的缺陷及其等效面积“Area”

END

本文原作者：S. Masaggia，如有版板要求，请联系我们删除！