缸盖用蠕墨铸铁高周疲劳和热疲劳性能及损伤机制研究

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内燃机的缸盖构件作为一种薄壁铸铁件,具有复杂的结构。随着经济的快速发展,市场对于高功率密度的内燃机需求越来越高。为了提升功率密度,则要求缸盖用材料在其服役过程中,具有应对缸盖迎火面的高温高压燃气所带来的循环载荷以及循环冷却水与高温燃气所带来的热应力的力学性能和热稳定性。而为了最大化利益,制造内燃机的成本也要考虑进去。因此,强度高、体积小、质量轻与热稳定性好的材料成为了内燃机缸盖用材料的甄选标准。蠕墨铸铁作为一种新型缸盖材料,因其良好的导热性和高强度被广泛应用。一般来说,蠕墨铸铁的力学性能与损伤机制主要受石墨与基体组织的影响。本文从缸盖的服役环境为出发点,通过不同测试温度下的拉伸实验、高周疲劳实验和不同温度区间的热疲劳实验对RuT450进行性能测试。探究其在拉伸、高周疲劳和热疲劳的损伤机制与材料显微组织的关系,为优化缸盖用蠕墨铸铁提供理论依据。本文的研究工作如下:(1)随着测试温度的上升,蠕墨铸铁RuT450的断后伸长率呈现出先下降后上升的趋势。在400℃时,出现动态应变时效(应力应变曲线上表现为锯齿状波动)使得材料得到强化,降低塑性。500℃断后伸长率增加的原因是出现晶界滑移。(2)蠕墨铸铁RuT450的断裂方式主要为解理断裂,其断口上的解理面面积随着温度的上升而下降。蠕墨铸铁抗拉强度随珠光体含量的增加而增大。珠光体含量低时,珠光体弥散分布,强化作用减小。(3)在25℃、400℃和500℃下对RuT450进行高周疲劳实验。发现疲劳断裂都与蠕虫状石墨有关。疲劳强度随温度的上升整体呈现下降趋势,但下降速度先慢后快。S-N曲线的分散性随温度的上升而减小。(4)在 25-450℃、25-550℃、25-650℃和 25-750℃温度区间对 RuT450 进行热疲劳实验。发现主裂纹的长度和宽度和上限温度有关。在25-750℃的温度区间内,热疲劳裂纹的长度和宽度有大幅提升。热疲劳裂纹长度和热循环周次呈直线关系并且热疲劳裂纹的扩展与石墨尖端朝向有关。
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