堆焊热疲劳实验例.doc

轧辊材质热疲劳行为的研究
荣守范　郭继伟　纪朝辉　沈大东　宋春梅
摘 要: 合金白口铸铁在以热轧辊为代表的热疲劳磨损条件下应用已20年，但只发挥了其优良的耐磨性.对其主要失效形式和热疲劳行为了解甚少，本文对常用合金白口铸铁的热疲劳抗力和在热循环作用下的机械性能进行了反复试验和研究，证实了材料的热疲劳寿命主要取决于断裂的扩展速度.
关键词: 合金白口铸铁; 轧辊; 热疲劳
中图分类号：TG113.25 文献标识码:A
文章编号：1008-1402（2000）01-0008-04
INVESTIGATION ON THERMAL FATIGUE PERFORMANCE OF WHITE CAST IRON ALLOY OF ROLLERS
RONG Shou-fan GUO Ji-wei JI Zhao-hui SONG Chun-mei YAO Yu-huan
(Jiamusi University, Heilongjiang 154007, China)
ABSTRACT: The alloying white cast-iron represented by rollers has been using under wear condition for almost 20 years. Its good property of wear resistance was performed well. However, its main failure form, thermal fatigue behaviors, is little known. In this paper, the resistance to thermal fatigue and mechanical properties under effect of thermal circulation of several common alloying white cast-iron were tested and investigated repetitively. It proves that materials’ thermal fatigue serve life mainly determined by the extending speed of the fracture.
KEY WORDS: alloying white cast-iron； roller；heat fatigue
0 引 言
　　热疲劳是轧辊失效的主要形式[1,2].近年来为了改善合金钢和球墨铸铁抗磨性能低，冷硬铸铁韧性和热疲劳抗力差等特点，“七五”期间开始引进，研究高合金白口铸铁轧辊和双金属复合轧辊[3,4]，但仅限于应用研究，有关热疲劳的研究报导甚少，因此，为了进一步开发高合金白口铸铁轧辊及高合金双金属复合铸造轧辊等新材质、新工艺，对白口铸铁热疲劳行为的研究具有重要的理论意义和现实意义.
1 试验方法
1.1 试样的化学成分及相关工艺参数 试样选用４种合金白口铸铁，主要化学成分如表１所示．
　　　　表1 合金白口铁的主要化学成份

序号
名 称
C
Si
Mn
Cr  
W
Mo
1
Cr3
2.6～2.8   
0.7～0.9
0.5
3

2
W25Cr4
2.6～2.8
0.7～0.9
0.5
4
25

3
Cr18W2
　2.6～2.8　
　　0.7～0.9
0.5
18
2

4
Cr15Mo3   
2.6～2.8
0.7～0.9
0.5
15

3

　　炉料在高频感应电炉中熔化,自约束试样先浇注成尺寸为44mm×44mm×80mm,重5kg的铸锭, 然后用线切割方法加工成无缺口及有缺口两种试样, 其形状和尺寸见图1 a,b;外约束试样浇注成圆柱毛坯,加工成图1 c所示形状.

图1 热疲劳试样
1.2 热疲劳试验方法
1.2.1 自约束热疲劳试验
　　自约束热疲劳试验在自制的试验机上进行,采用高频感应电炉加热,自来水冷却,循环温度为750℃50℃,加热时间为10s, 冷却时间为10 s.
　　无缺口试样经６００次热循环后取下，将加热端在线切割机上切下４mm，然后将截面磨光﹑抛光，在读数显微镜下测量截面上热疲劳条数及深度分布．
　　有缺口试样每循环一定周次停机，观察缺口尖端热疲劳萌生，在放大３０倍的显微镜下，观察到裂纹出现时的循环次数作为热疲劳裂纹的萌生次数；测量热疲劳裂纹扩展长度，作出裂纹长度Ｌ和循环次数Ｎ之间的关系Ｌ－Ｎ曲线，曲线的斜度即热疲劳裂纹扩展速率.用其综合评价材料的热疲劳抗力.
1．2．2 外约束热疲劳试验
　　外约束热疲劳试验在coffin型热疲劳试验机上进行.试样直接通电加热，电压u=1v,电流I=2000A,吹风冷却.加热时间为10s, 冷却时间为10s, 循环温度为600℃40℃,在热循环过程中，试件所受的外力由应力传感器经应变仪转变为载荷信号，与点焊在试样上的热电隅所测量的温度信号一起被送到ｘ-y记录仪上，记录下载荷-温度关系曲线，再由此作出应力σ-T关系曲线.根据σ-T曲线，分析材料在热循环过程中的力学特性及测量材料的热疲劳寿命.
２ 试验结果及分析
2．1 自约束条件下的热疲劳试验
　　经650℃50℃,600次热循环后，试样横截面上热疲劳条数及深度分布见表2
　　　　表2 试样横截面上热疲劳裂纹数量及深度分布

名称
裂纹总条数（根）
不同裂纹深度的条数（根）

>1.0mm
0.5-1.0mm
<6.5mm
Cr3
15
4
6
2
W25Cr4
12
7
5
3
Cr18W2
7
3
3
1
Cr15Mo3
8
3
2
3

　　由表可见，4种试样中W25Cr4的热疲劳裂纹数最多，其中深度大于1mm的裂纹数量也最多；Cr3的热疲劳裂纹总条数及深度＞1mm的裂纹条数仅次于W25Cr4；Cr18W2及Cr15Mo3两种试样热疲劳裂纹的总条数及深度大于1mm裂纹的条数相近，均远小于前两种试样，说明W25Cr4及Cr3的热疲劳抗力均较低，而Cr18W2及Cr15Mo3的热疲劳抗力都比较高.
　　试验结果表明，4种合金的热疲劳裂纹萌生循环次数都很低，均不超过20次，这说明裂纹的萌生对热疲劳寿命的影响甚小，而材料的热疲劳寿命主要取决于裂纹的扩展速度.裂纹的长度与循环次数的关系如图2所示.

图2 试验材料的Ｌ－Ｎ曲线
　　由图可见，W25Cr4及Cr3试样的L-N曲线斜率较大，说明其裂纹扩展速度较快,而Cr18W2及Cr15Mo3的裂纹扩展速率相近，都比较小，这一结果与试样横断面上的裂纹的分布是一致的.
2.2 外约束条件下的热疲劳试验
　　在600℃±40℃循环温度作用下，不同循环次数时Cr3和Cr15Mo3试样σ-T曲线如图3所示.

(a) Cr3 　　　　　　　　　　　　　(b) Cr15Mo3
图3 试样的σ-T简化曲线
　　Cr3铸铁在第一次热循环时σ-T曲线沿OABC变化，随温度升高，试样的比容不断增大，试样条件下热膨胀被约束，使试样产生压应力，当温度达到430℃时，压应力值为470Mpa(A点)，达到了材料的屈服极限，继续升温，材料的屈服强度显著降低，压应力减小；至循环上限温度时，压应力减至418Mpa(B点).冷却时试样的比容减小，压应力降低，由于试样中存在压缩变形，在某一温度时应力转变为拉应力，当冷却至循环温度下限时，拉应力达到215Mpa（C点）.第二次加热过程中，试样不再发生宏观屈服.由于循环软化作用，随循环次数的增加σ-T曲线不断向上平移，试样在循环下限温度时所受的压应力不断减小，在上限温度时所受的拉应力不断增大.随着循环次数的增加，曲线向上移动的幅度逐渐减小，当循环到90次时σ-T曲线趋于稳定，不再上移.经过200次循环，试样发生热疲劳断裂.
　　Cr15Mo3试样的σ-T曲线与Cr3试样基本相同，但Cr15Mo3试样在第一次加热时，没有明显的屈服现象，随加热温度升高，试样所受的压应力增大，在460℃时，曲线上出现折点，此时试样产生少量塑性变形.随温度升高，压应力仍然继续增加，说明在600℃以下这种材料加热时屈服强度随温度变化较小，冷却时及以后的热循环进程中热应力随温度的变化规律与Cr3相似，σ-T曲线在120次循环后趋于稳定，经230次热循环后试样断裂.
　　由试验结果可见Cr15Mo3在外约束条件下的热疲劳寿命高于Cr3试样.这主要因Cr15Mo3的高温屈服强度及热循环软化抗力高于Cr3试样所至.
3 结 论
　　1) 试验材料中W25Cr4和Cr3的热疲劳抗力较差，Cr18W2和Cr15Mo3的热疲劳抗力较高，Cr15Mo3的热疲劳寿命高于Cr3.
　　2) 裂纹的萌生对热疲劳寿命的影响甚小，材料的热疲劳寿命主要取决于裂纹的扩展速度.