制动鼓的工作环境是十分恶劣,在频繁的制动摩擦过程中也经受反复的加热和冷却,由此使材料在温度梯度中产生热胀冷缩,又受到材料本身的约束而形成循环应力和应变,从而使制动表面萌生热疲劳裂纹。制动鼓在制动过程中产生的磨损达到一定程度后,将影响制动的有效性;而热疲劳裂纹的扩展则最终会导致制动鼓破裂。所以提高制动鼓材料的抗热疲劳性能和抗磨损性能是提高制动鼓寿命与安全性能的重中之重。灰铸铁由于铸造性能优良,铸造成本低廉,易切削加工,具有良好的减震性,耐磨性等优势而作为生产制动鼓的主要材料。所以改善灰铸铁的抗热疲劳性能以及热疲劳后耐磨性能是提高制动鼓使用寿命的重心。探究灰铸铁,会发现因石墨这个极具特征与代表性相的存在而具有独特的魅力。石墨是一把双刃剑,它一方面使灰铸铁具有良好的减震性、导热性、耐磨性等优点;另一方面,石墨作为一个软相存在于基体中,类似于孔洞缺陷,在工作过程中使内应力在石墨尖端集中,诱发显微裂纹,对材料造成损伤。在灰铸铁的热疲劳试验中,随着石墨的数量、尺寸增加,灰铸铁的导热性越来越好;但与此同时,对灰铸铁的基体割裂作用也越来越强。石墨是热疲劳裂纹的萌生源,并且裂纹的萌生与扩展都与石墨的尺寸、数量、分布息息相关。灰铸铁在热疲劳过程中产生裂纹的同时,也使材料组织发生了变化,直接影响到材料耐磨性能。因此,在研究石墨对灰铸铁抗热疲劳性能影响的同时,也需要同时研究其耐磨性能的变化。由于凝固条件和含碳量的差异,灰铸铁中的石墨类型以及石墨尺寸、数量均有较大差异。本文为研究激光仿生灰铸铁的抗热疲劳性能以及热疲劳后耐磨性能,在确定激光仿生模型为45°网+0°止裂环后,首先分别研究了A-E型石墨对灰铸铁热疲劳性能的影响并分析了其裂纹萌生与扩展方式。另外,为了提高灰铸铁抗热疲劳性能,深入研究了激光仿生结构在含不同石墨类型灰铸铁材料中的抗疲劳机理。并通过热疲劳裂纹的数量,长度,宽度来衡量其抗热疲劳性能。通过对这部分研究,我们发现含A型石墨具有良好的抗热疲劳能力;在非仿生表面,粗大的C型石墨和致密的D型石墨更容易增加裂纹数量;而裂纹最易在枝晶间扩展,所以含D型石墨灰铸铁热疲劳裂纹最长;含E型石墨的材料在热疲劳后期具有最深的裂纹。仿生表面具有较强的抗裂纹萌生能力和对裂纹扩展的阻碍能力。其中抗热疲劳性能提高最明显的是含D型石墨的灰铸铁,而仿生表面对含粗大C型石墨的灰铸铁抗裂效果最差。在研究石墨类型对激光仿生灰铸铁抗热疲劳能力的同时,对其进行耐磨性研究。发现在非仿生表面含D型石墨灰铸铁的耐磨性最差,但含C型石墨的耐磨性最好;而仿生表面对含D型石墨灰铸铁耐磨性提高最明显。通过研究石墨类型对热疲劳和耐磨性的影响,我们发现含A型石墨灰铸铁的综合性能最佳,但铸铁在铸造过程中由于烧损等原因,其成分常有差异。因此我们继续深入探究了在含A型石墨的情况下,不同碳含量的激光仿生灰铸铁在热疲劳过程中组织和硬度的变化、抗氧化性能、抗热疲劳性能以及热疲劳后的耐磨性能。研究发现随着含碳量的增加,灰铸铁在热循环过程中产生的热疲劳裂纹数量增加;但含碳量较低的试样裂纹扩展速度更快,可能与其导热率较小有关。随着含碳量的增加,石墨面积增加、基体硬度也有所提高,耐磨性越来越好。而热循环过程中产生的石墨坑、裂纹都对材料的耐磨性有不利影响,在其周围犁削磨损较严重。在仿生表面,激光仿生单元体对灰铸铁材料的抗热疲劳性能和耐磨性能均有大幅提高,随着含碳量的增加,单元体硬度增加,所以耐磨性增加,但热循环过程中单元体由于硬度的关系也容易开裂,止裂效果有所下降。由此可知,灰铸铁型制动鼓最好采用基体为珠光体且全为A型石墨,在A型石墨范围内,随着含碳量的增加,耐磨性提高,虽然热疲劳裂纹数量增加,但裂纹扩展速度较慢;激光仿生模型对不同含碳量灰铸铁耐磨性能和抗热疲劳性能提升都比较明显。