背景简介

硅钼(SiMo)球墨铸铁常用于高温部件，如排气歧管、涡轮增压器涡轮壳、热处理夹具等。这些部件的使用条件包括启动、停止、部分负荷和满负荷阶段。在这种条件下，低周疲劳(LCF)和热机械疲劳(TMF)通常由启动和关闭阶段引起。LCF的特征是在加载循环过程中保持恒定温度。相反，TMF加载循环内温度会发生明显变化。LCF和TMF都以循环非弹性应变为特征，最终导致有限的使用寿命。此外，在加载期间可能会引入应力松弛或蠕变，并可能导致寿命进一步降低。目前，已经对SiMo铸铁的开裂行为和损伤机制进行了一些研究，然而，对损伤机制的了解有限。为了保证这些部件的安全和长期运行，更好地去了解相应材料的损伤机制和提高可靠寿命预测的能力尤为重要。

本文研究了SiMo4.06铸铁在等温LCF、疲劳蠕变(LCFC)和TMF加载下的损伤机制，并预测了温度在20°C至750°C之间的寿命。根据SiMo铸铁的实验数据和结果，提出了一种新的基于耗散迟滞能量的损伤模型，以考虑复杂的高温加载和加载循环中温度变化对寿命的影响。

成果介绍

（1）对于LCF载荷，在20 °C和400 °C时存在循环硬化，在550 °C及以上温度时存在循环软化。对于较小的应变幅，观察到的LCF寿命随着温度的升高而降低，而对于较大的应变幅，观察到的LCF寿命随着温度的升高而增加。粘性行为随着温度的升高而增加，在550°C及以上时变得更加显著。在疲劳–蠕变试验期间，松弛应力的大小不会随着循环周次增加而变化。与LCF加载相比，不同相的热机械疲劳(OP-TMF)加载过程中引入的平均拉伸应力导致寿命显著降低。（图1和图2）

图1 应变速率 ɛ̇=3×10^-3/s，应变幅ɛ_a为（a）4×10^-3,（b）6×10^-3，（c）8×10^-3, （d）1×10^-2, （e）1.2×10^-2和（f）应变速率 ɛ̇=1×10^-4/s，应变幅为4×10^-3的等温LCF试验中最小和最大应力随循环周次的变化情况

图2 （a）550 °C和（b）650°C下蠕变疲劳试验的应力-应变滞后回线；（c）100 °C和650 °C范围内的OP-TMF试验的应力-应变滞后回线；（d）保载时间300s、应变幅ɛ_a=6×10⁻³和最高应变率下的蠕变疲劳试验期间的应力松弛情况；(e) 应变幅ɛ_a=6×10⁻³和最高应变率下的等温蠕变疲劳试验和（f）100 °C和650°C之间进行的OP-TMF试验的最大和最小应力随循环周次变化情况

（2）LCF和OP-TMF载荷下的主要失效模式是石墨基体剥离和铁素体基体穿晶裂纹扩展的组合。氧化和蠕变孔洞的严重程度随着温度的升高和加载周期的延长而增加。氧化层在550 °C和750 °C下均为铁基。650 ℃时，氧化层由富含硅的拓扑层和基于铁氧化物的外延层组成。650 ℃和750 ℃时，蠕变损伤变得更为显著。此外，蠕变和疲劳损伤机制之间没有相互作用。（图3和图4）

图3 应变控试验的断面图；LCF试验：（a）T=20°C，ɛ_a =4×10⁻³ 和 ɛ̇=3×10⁻³/s，（b）T=400°C，ɛ_a =4×10⁻³ 和 ɛ̇=3×10⁻³/s，（c）T=550°C，ɛ_a =2.5×10⁻³ 和 ɛ̇=3×10⁻³/s，（d）T=650°C，ɛ_a =4×10⁻³ 和 ɛ̇=3×10⁻³/s，（e）T=750°C，ɛ_a =4×10⁻³ 和 ɛ̇=3×10⁻³/s，（g）T=550°C，ɛ_a =4×10⁻³ 和 ɛ̇=1×10⁻⁴/s，（h）T=650°C，ɛ_a =4×10⁻³ 和 ɛ̇=1×10⁻⁴/s；LCFC试验：（i）T=650°C，ɛ_a =4×10⁻³ 和 t_h=300s，（j）T=650°C，ɛ_a =6×10⁻³ 和 t_h=1500s，（k）T=750°C，ɛ_a =6×10⁻³ 和 t_h=300s；（f）OP-TMF试验：T=100°C和T=650°C

图4 蠕变孔洞图： （a）LCF试验：T=750 °C， ɛ_a =4×10⁻³ 和ɛ̇=3×10⁻³/s；LCFC试验：（b）T=650 °C，ɛ_a =6×10⁻³ 和 t_h=1500 s，（c）T=750 °C，ɛ_a =6×10⁻³ 和t_h=300 s；观察到的氧化物侵入情况：（d）LCF试验中T=650 °C，ɛ_a =4×10⁻³ 和ɛ̇=1×10⁻⁴/s，（e）LCFC试验中T=650 °C，ɛ_a =6×10⁻³ 和 t_h =1500 s和（f）LCF试验中T=750 °C，ɛ_a =6×10⁻³ 和 t_h =300 s；观察到的表面连接裂纹：（g）LCF试验中T=20 °C，ɛ_a =4×10⁻³和ɛ̇=3×10⁻³/s，(h) LCF试验中T=550 °C，ɛ_a =2.5×10⁻³，ɛ̇=3×10⁻³/s；（i）在LCF试验中观察到的内部裂纹：T=650 °C，ɛ_a=4×10⁻³和 ɛ̇=1×10⁻⁴/s

（3）提出的损伤模型中的总损伤是蠕变和疲劳损伤的总和。疲劳损伤是基于每个循环耗散的滞后能量，通过引入平均应力对寿命的影响进行修正。蠕变损伤的计算基于加载循环中粘性变形的积分。间接考虑了氧化效应。

（4）损伤模型用于有效预测SiMo4.06在20 °C和750 °C之间的各种LCF、TMF和LCFC载荷下的寿命。预测寿命和观测寿命之间存在合理的相关性。对多轴加载和蠕变-疲劳试验的损伤模型进行验证是未来研究的潜在课题。(图5)

图5 SiMo4.06在LCF和TMF载荷条件下的观测寿命和预测寿命。

本文通讯作者：Michal Bartošák（Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Materials Science & Engineering, Institute I, Martensstraße 5, 91058, Erlangen, Germany）。

本期小编：刘尧风（整理）

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