第一章 绪论
1.1 铸钢及其应用
国内外在铸钢方面的发展很快，主要体现在铸钢件质量和性能的不断提高、品种的多样化以及合金钢和特殊钢应用比例的不断增加，尤其是近年来发展的氩-氧联合吹炼脱碳精炼法（AOD 法）开辟了批量生产纯净钢液的新途径[1]。由于采矿业的需要，抗磨铸造合金钢亦有较大发展，国内外研究了一些马氏体型耐磨钢，如美国研制的Si-Mn-Cr-Mo 及 Si-Mn-Cr-Mo-Ni 空气硬化马氏体耐磨铸造低合金钢在抗磨性能方面有较大幅度的提升[2]。此外，加入一些稀土元素的微合金化铸钢业已成为低合金高强度铸钢发展领域的一个重要的切入点，尤其在我国应用得比较普遍[3-6]。随着生产工艺的不断改进和科学技术的迅速发展，以及很多新的钢种和新的冶炼技术的不断出现，必将使铸钢构件的铸造水平不断提升。众所周知，我国是钢铁大国，钢铁的应用已经普及到国民经济各部门和人们生活各方面，俨然已成为人类社会的一种重要的基础材料。虽然如今很多新型材料逐渐受到越来越多人的青睐，但是钢铁以其自身的优良品质，在交通运输、现代汽车、舰船兵器、电力能源、石油化工、机械制造等方面都占据着不可撼动的地位。铸钢件设计灵活、冶金制造适应性和可变性强，因此在矿山、煤炭行业所用设备的关键部件均采用铸钢件[7]。近 10 年来，我国国民经济发展很快，铸钢件产量随之大幅度增长。1998 年，各类铸钢件产量为 130.4 万吨，2008 年飙升至 460 万吨，已占到铸件总产量的 10%左右，高于俄罗斯、美国、印度、巴西、日本、德国、韩国、法国、意大利、英国 10 个国家铸钢件产量的总和。在产品品种和质量方面，也取得了很多成果。在大型铸钢件方面，我国成功研制了水电站用超大型不锈钢铸件、大型超临界汽轮机用铸钢件。2008 年，中信重工机械公司制造了当今世界上最大的铸钢件，即重 520 吨的大型液压机横梁。小型铸钢件方面，在航空用燃气轮机单晶叶片方面也有了重要进展[8]。
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1.2 铸钢的分类
铸钢是用以浇注铸件的钢，其为铸造合金的一种。铸钢可以划分为三大类别，即铸造碳钢、铸造合金钢和铸造特种钢。铸造碳钢是以碳为主要合金元素并含有少量其他元素的铸钢。含碳量小于 0.2%的为铸造低碳钢，含碳量在0.2%～0.5%的为铸造中碳钢，含碳大于 0.5%的为铸造高碳钢。随着含碳量的增加，铸造碳钢的强度增大，硬度提高。铸造碳钢具有较高的强度、塑性和韧性，成本较低，在重型机械中主要用于制造承受大负荷的零件，如轧钢机机架、水压机底座等，而在铁路车辆领域则主要用于制造受力大又承受冲击的零件如摇枕、侧架、车轮和车钩等。铸造合金钢根据其所含合金元素总量的多少，可分为铸造低合金钢和铸造高合金钢两大类。铸造低合金铸钢主要含有锰系、锰硅系及铬系等合金元素，常见的钢种包括ZG40Mn、ZG30MnSi1、ZG30Cr1MnSi1等。铸造低合金钢主要用于制造齿轮、水压机工作缸和水轮机转子等零件，其合金元素总量一般小于 5%，具有较高的冲击韧性，并可通过热处理获得更高的力学性能。铸造低合金钢比碳钢具有较优的使用性能，能减小零件质量，提高使用寿命。铸造高合金钢具有耐磨、耐热或耐腐蚀等特殊性能。铸造高锰钢即属于典型的耐磨钢,其中具有代表性的钢种是 ZGMn13，具有很高的耐磨耗、抗冲击和抗疲劳裂纹扩展的性能,因此被广泛应用于工程机械和矿山机械中，如挖掘机的抓斗前壁和抓斗齿、拖拉机和坦克的履带等[9]；又如ZGCr28，属于铁素体型耐热、耐腐蚀、耐磨损铸钢。随着铬量的提高,铸造高合金钢的抗氧化、耐热和耐蚀性能提高，主要用于制造化工、石油、化纤和食品等设备上的零件[10]。
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第二章 实验材料、设备及方法
2.1 实验材料
本研究所用的实验材料为 ZG20SiMn 铸钢，其化学成分如表 2.1 所示。ZG20SiMn为低合金高强度铸钢，其硅、锰含量稍高于普通碳素钢，室温拉伸性能也高于普通碳素钢，且具有良好的可焊性和低的冷脆敏感性。实验所用材料 ZG20SiMn 来源于沈阳铸锻工业有限公司生产的水压机横梁铸造毛坯，其冶炼工艺、铸造工艺以及相应的热处理工艺均与该公司实际采用的生产工艺规范相同。图 2.1 所示为铸钢件的显微组织。由图可见，ZG20SiMn 铸钢的组织主要为铁素体+珠光体，并含有少量弥散分布的碳化物。利用JEM-2100 型透射电子显微镜分别对ZG20SiMn铸钢的低周和高周疲劳变形区的微观结构进行观察与分析，以明确 ZG20SiMn 铸钢在室温下的低周和高周疲劳变形机制。透射电镜样品的具体制备过程如下：在距离疲劳断口表面大约 1mm 左右处用SYJ-150A 型低速金刚石切割机沿与加载轴垂直的方向切取厚度约为 0.5mm 的薄片，然后分别用 1000#、1500#、2000#砂纸研磨至 50μm 左右，以 10% HClO4＋90% C2H5OH（体积分数）混合溶液作为电解液，利用 TenuPol-5 型双喷减薄仪进行最终减薄，温度为-20oC 左右，电压为 30V 左右。
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2.2 实验内容及方法
所有疲劳实验用疲劳试样均是由 ZG20SiMn 铸钢水压机横梁铸造毛坯上通过线切割加工方法制取的。低周疲劳试样的标距部分直径为 6mm、长度为 10mm，其具体形状和尺寸如图 2.2 所示；高周疲劳试样标距部分直径为 6mm、长度为 10mm 且夹持部分加工有 M12 的螺纹，其具体形状和尺寸如图 2.3 所示。利用光滑疲劳试样获取疲劳数据时,如果疲劳试样表面存在机械加工划痕等表面缺陷时,由于一些表面缺陷可以成为疲劳裂纹源，致使疲劳寿命数据偏低。因此，为了避免疲劳试样表面的机械加工划痕等对疲劳试验结果造成不利影响，沿试样的轴向用 1200#的 SiC 砂纸对疲劳试样标距及过渡弧部分进行磨光，以排除试样表面加工缺陷的影响。利用 PLD-50 型微机控制电液伺服疲劳试验机对 ZG20SiMn 铸钢进行低周疲劳实验，以确定 ZG20SiMn 铸钢在低周疲劳加载条件下的循环应力响应行为、应变疲劳寿命行为、循环应力-应变行为等。采用轴向拉－压全反向总应变控制模式进行低周疲劳实验，实验环境为实验室静态空气介质，实验温度为室温。
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第三章 ZG20SiMn 铸钢的低周疲劳行为....22
3.1 铸钢的循环应力响应行为........22
3.2 铸钢的低周疲劳寿命行为........23
3.3 铸钢的循环应力 应变行为.....27
3.4 拉伸滞后能与低周疲劳寿命....28
3.5 铸钢的低周疲劳断口形貌观察与分析 ......32
3.6 本章小结.... 35
第四章 ZG20SiMn 铸钢的高周疲劳行为 .........36
4.1 铸钢的疲劳 S-N 曲线 ......... 36
4.2 铸钢的高周疲劳断口形貌观察与分析...... 41
4.3 夹杂物对 ZG20SiMn 铸钢高周疲劳性能的影响 ........ 46
4.4 本章小结..... 48
第五章 ZG20SiMn 铸钢的疲劳变形与断裂机制....49
5.1 铸钢低周疲劳变形后的微观结构观察与分析 ...... 49
5.2 铸钢的低周疲劳变形与断裂机制........ 52
5.3 铸钢高周疲劳变形后的微观结构观察与分析 ...... 58
5.4 铸钢的高周疲劳变形与断裂机制........ 62
5.5 本章小结.... 66
第五章 ZG20SiMn 铸钢的疲劳变形与断裂机制
5.1 铸钢低周疲劳变形后的微观结构观察与分析
图 5.1 所示为 ZG20SiMn 铸钢低周疲劳变形后的微观结构 TEM 形貌。由图可知，低周疲劳变形后的 ZG20SiMn 铸钢中存在着大量的珠光体组织（其间距约为 500nm），且这些珠光体组织止于晶界处。可以看出，循环变形后珠光体组织附近位错密度较大，位错形状不规则。在疲劳变形过程中，裂纹可以在珠光体与晶界的交汇处萌生，如图5.1a 所示。同时，由于珠光体在循环变形过程中变形不协调，在珠光体和基体界面上会产生应力集中，当应力集中超过界面结合强度时，裂纹也可以在珠光体和基体界面处萌生，如图 5.1b 所示。ZG20SiMn 铸钢在低周疲劳变形后同样存在着大量的颗粒状碳化物和平行的高密度位错，如图 5.1c 所示。这些碳化物尺寸约为 50~80nm，均匀弥散的分布在基体中，通过选区电子衍射结构分析得出其为复杂立方的 M3C 型碳化物相，这些碳化物可以起到阻碍位错滑移达到沉淀强化的效果。同时，在这些碳化物附近，存在着少量的球状珠光体组织，这些球状的珠光体同样也可以阻碍位错运动的作用（见图 5.1d）。事实上，在 ZG20SiMn 铸钢中观察到的这些原始结构，包括珠光体组织和大量的颗粒状碳化物，均产生于疲劳变形前的铸造加工过程中。
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结论
（1）在应变控制的低周疲劳加载条件下，ZG20SiMn 铸钢可以表现为循环硬化和循环稳定，主要取决于外加总应变幅的高低，其中当外加总应变幅为 0.25~0.45%时，ZG20SiMn 铸钢在疲劳变形前期呈现循环稳定，在疲劳变形的后期则表现为循环应变硬化，直至最终断裂或由于疲劳裂纹出现而导致应力快速下降；当外加应变幅为0.6%时，ZG20SiMn 铸钢在整个疲劳变形过程中表现为稳定的循环应力响应行为；当外加应变幅为 0.8%时，ZG20SiMn 铸钢在整个疲劳变形过程中呈现为循环应变硬化。#p#分页标题#e#
（2）对于 ZG20SiMn 铸钢而言，其弹性应变幅、塑性应变幅与疲劳断裂时的载荷反向周次之间表现为单斜率线性行为，并分别服从 Coffin-Manson 和 Basquin 公式；采用拉伸滞后能作为疲劳损伤参数，可以较为准确地预测 ZG20SiMn 铸钢的低周疲劳寿命。
（3）在应力控制的高周疲劳加载条件下，ZG20SiMn 铸钢在 0.5 的高应力比下的疲劳强度明显高于其在 0.1 的低应力比下的疲劳强度。在相同的外加应力幅下，ZG20SiMn 铸钢在应力比为 0.1 时的疲劳寿命明显高于其在应力比为 0.5 时的疲劳寿命，而在相同的最大循环应力下，ZG20SiMn 铸钢在应力比为 0.5 时的疲劳寿命明显高于其在应力比为 0.1 时的疲劳寿命。ZG20SiMn 铸钢组织中如果存在鱼骨状硫化物或者含锰和钼量较高的球状夹杂物，将会显著降低其高周疲劳寿命。
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参考文献（略）
