Effect of Copper Alloying on Fatigue Life and Fatigue Crack Growth Behaviour of Ductile Cast Irons

Abstract

Specimens cut out and machined from Cu alloyed (about 1.6%) and unalloyed (less than 0.012%) ductile cast iron ingots were tested under cycling loading to reveal the effect of copper addition on fatigue performance. The influence of solidification rate and hence the microstructure were also studied by preparing sand cast and die cast ingots from each composition. Some high copper die cast specimens were annealed to spheroidize and homogenize the matrix’s pearlite structure. All experiments were carried out by subjecting CT type specimens to constant load amplitude and tensile to tensile sinusoidal load cycles. Electrical crack foils were employed to measure instantaneous crack sizes. Cu alloyed samples showed higher fatigue lives. Similarly, crack growth rate diagrams pointed out lower fatigue crack velocities and higher near threshold stress intensity factors in high Cu specimens. The spheroidization of pearlitic matrix resulted in an insignificant increase in fatigue crack growth rate and a 10% decrease in near threshold stress intensity value. The fatigue performance of sand cast pieces was better than die cast ones. It is concluded that the fatigue life of ductile cast irons can be improved by copper alloying.Des éprouvettes coupées et usinées à partir de lingots de fonte ductile alliée au cuivre (approximativement 1.6%) et non alliée (moins de 0.012%) ont été évaluées sous effort cyclique afin de révéler l’effet de l’addition de cuivre sur le comportement de fatigue. On a également étudié l’influence du taux de solidification, et ainsi de la microstructure, en préparant des lingots coulés en sable et d’autres coulés en coquille, à partir de chaque composition. On a recuit quelques éprouvettes à haute teneur en cuivre, coulées en coquille, pour obtenir la sphéroïdisation et l’homogénéisation de la structure perlitique de la matrice. On a effectué toutes les expériences en exposant les éprouvettes de type C-T à des cycles avec charge d’amplitude constante, à charge sinusoïdale traction à traction. On a utilisé des films électriques à fissure pour mesurer la taille instantanée des fissures. Les échantillons alliés au cuivre ont montré une plus grande résistance à la fatigue. De façon similaire, des diagrammes de taux de croissance de la fissure indiquaient des vélocités plus basses de fissure due à la fatigue et des facteurs plus élevés d’intensité de contrainte près de la limite pour les éprouvettes à haute teneur en Cu. La sphéroïdisation de la matrice perlitique a résulté en une augmentation insignifiante du taux de croissance de fissure due à la fatigue et en une diminution de 10% de la valeur d’intensité de contrainte près de la limite. Le comportement de fatigue des pièces coulées en sable était meilleur que celui des pièces coulées en coquille. On conclut que la résistance à la fatigue des fontes ductiles peut être améliorée par alliage au cuivre.