铸态球墨铸铁是指不经热处理直接获得所需性能的球墨铸铁。球墨铸铁采用铸态生产可节约生产成本、简化工艺和缩短生产周期,为各生产厂家竞相采用。QT400 18高韧性球墨铸铁在实际生产中得到一定应用,但用户对该牌号球墨铸铁(简称球铁)在铸态下的 伸长率要求越来越高,已超过国家标准要求,达到20%以上。关于非铸态球铁性能及断裂机理的 分析与研究,人们做过大量工作,其中奥氏体贝氏体球铁断裂的微观过程及强韧化机理研究较多〔 1,2〕,球铁疲劳裂纹扩展的微观机制也有少量报道〔3〕,但对高韧性铸态球铁断裂机理,国 内还不曾有人研究。结合某公司实际生产中该牌号铸态球铁伸长率偏低,一般稳定在15%～16%,通过设计合理的化学成分和适当改进球化、孕育工艺,使其伸长率稳定在20%以上,平均值为213%,从而成功地解决了生产实际难题。为进一步分析该牌号铸态球铁伸长率提高的原因,对该球铁 拉伸断口特征及断裂机理的分析与探讨有很大现实意义。1 试样制备与分析方法试验用拉伸试样 直径14mm,标长为70mm,材质为铸态球铁。用冲天炉熔炼,出铁温度1400～1420℃以上,生铁主要成分为42%～4 4%C,1 2%～1 4%Si,Mn<0 20%,S<0 03%,P<0 06%。球化剂选用FeSiMg8RE7合金,采用冲入法进行球化处理;孕育剂选用75FeS i,采用转包进行多次孕育处理。浇注温度1280～1300℃,在水玻璃自硬砂型中浇注25 mm的Y型单铸试块。对浇注出的单铸试块进行加工,制出拉伸试样。球铁化学成分由拉伸试样检测而得;力学性能测·344·试在WE30型300kN液压式万能材料试验机上进行;金相试样从拉伸试样内侧端面截取,使用MM 6型金相显微镜进行金相分析,通过对照图谱中相应的级别图对球铁金相组织中的球化率、石墨大小和铁素体含量进行评定;采用JSM 5610LV型扫描电子显微镜对拉伸试样断口进行形貌观察。2 化学成分、力学性能与金相组织选取伸长率15 5%和21 3%的试样,表1是试样的化学成分及力学性能。图1是试样的金相组织。金相分析结果表明,伸长率15 5%时,球铁的球化率80%～90%,石墨30～60μm,铁素体量75%;伸长率21 3%时,球铁的球化率90%～95%,石墨15～30μm,铁素体量超过95%。(a)伸长率15 5%100× (b)伸长率21 3%100×图1 试样的金相组织Fig 1 Microstructureoftensionspecimen表1 试样的化学成分及 力学性能Table1 Chemicalcompositionandmechanical propertiesofthetensionspecimen试样编号化学成分(%)CS iMnSPREMg力学性能σb/MPaδ(%)0#3.422.480.150.0350 .0540.0220.049484.015.51#3.652.530.110.0200 .0420.0230.037432.421.3 注:表中测试的力学性能数据为5个样的平均值。3 试样断口形貌图2是伸长率213%和伸长率15 5%试样拉伸断口宏观形貌对比,从中可发现伸长率21 3%的试样,断口略倾斜,呈灰色纤维状组织,有明显的缩颈;伸长率15 5%的试样,断口比较平齐,约2/3部分呈亮色结晶状组织,1/3部分呈灰色纤维状组织。图3是伸长率为21 3%的试样拉伸断口电镜扫描照片。图3a中,具有凸凹不平表面的圆球为石墨,有的石墨球因已脱 离或保留在相匹配的对应的断口上,而在此留下孔洞。图3b为将要脱落的石墨的放大照片。石墨 或石墨孔洞四周由密集分布的韧窝组成了撕裂岭,撕裂岭呈封闭状态,见图3c。韧窝较大、较深,韧窝附近并有明显的撕裂带,见图3d。图4是伸长率为155%的试样断口电镜扫描照片。断口2/3部分白色区域,出现了与断面成一定角度的裂纹,该裂纹 类似于解理断口的二次裂纹,在基体中传播方向是随机的,部分与石墨相连,见图4a。在白色与 灰色区域交界处,出现“白色异形相”和“河流花样”,见图4b。在1/3部分灰色区域,石墨 或石墨孔洞无明显撕裂岭,脱落石墨留下孔洞较浅,但孔洞较多,有较多解理台阶,但并未形成“河流花样”,见图4c。图4d为未脱离石墨的放大照片。4 分析与讨论由图2可知,伸长率213%试样在宏观断口上表现为较明显的缩颈,由图3知,试样断口在铁素体图2 伸长率15 5%(上)和21 3%(下)拉伸试样断口宏观形貌对比Fig 2 Thecomparisonoffracturemorphologyoftensionspecimenelongation15 5%(up)with21 3%(down)基体上出现了少量较大且又很深的韧窝,因此可认为此种断裂为韧性断裂。试样在 拉伸应力的作用下,由于存在缩颈而在最小截面处造成三维应力,其值在轴线方向最大,这些三向 应力使晶界、某些缺陷等形成显微孔洞,致使石墨球脱离基体而留下孔洞。随着应力的提高,孔洞 不断长大相互连接,同时还产生新的孔洞,使裂纹缓慢长大,并在断口上留下灰色纤维状的区域。 一般情况下,石墨球在不受力的情况下,与周围基体有较好的连接,没有裂纹与基体形变存在;受 力后,由于石墨球类似于孔洞的薄弱环节,石墨球所在孔洞被拉长,因此成为重要的微裂纹萌生源 。当石墨或石墨孔洞被撕裂岭完全封闭时,裂纹较难扩展到邻近的石墨中去,同时石墨被铁素体基体所包围,而伸长率213%试样的金相组织中铁素体含量在95%以上,铁素体含量大,因此在试样断裂前表现出充分的塑性变形;另外伸长率21 3%试样的金相组织中石墨球化率为90%～95%,畸形石墨相对较少,而畸形石墨的尖端是裂纹 首先形成并迅速割裂基体的断裂源〔4〕,因此脱离铁素体基体的石墨较少,从而在试样断口上留 下少量较大、较深的韧窝,甚至有撕裂带。(a)断口整体形貌200× (b)将要脱落石 墨的放大1500× (c)断口局部形貌200× (d)断口局部形貌200×图3 伸长率213%试样断口电镜扫描照片Fig 3 SEMMorphologiesoftensionspecimenwiththeelongationof21 3%(a)2/3部分白色区域形貌200× (b)白色与灰色交界区域形貌200× (c)1/3部分灰色区域形貌200× (d)脱落石墨1000×图4 伸长率为15 5%时试样断口电镜扫描照片Fig 4 SEMMorphologiesoftensionspecimenwiththeelongationof15 5% 从图4可知,伸长率15 5%试样的断裂方式为混合型断裂。试样金相组织中,石墨球化率80%～90%,石墨除大部分呈团块状、球状外,还有小部分呈团絮状、蠕虫状,与伸长率21 3%的试样相比,畸形石墨相对较多,因此可认为该裂纹主要是由于畸变石墨尖端处的应力集中造成 的。在白色与灰色区域的交界处,有少量准解理面、解理面和“白色异形相”,对该微区取样进行电子探针分析,发现含有S、Mg、RE等元素。由于伸长率155%试样的化学成分中硫含量偏高,可认为“白色异形相”是硫化物杂质。而准解理面的形成是由于 在准解理的中间部位存在某种杂质,在杂质的尖角处形成微裂纹源,微裂纹尖端的应力集中使该裂 纹源迅速扩展,从而造成局部穿晶断裂〔5〕。在灰色区域及白色区域,由于化学成分中C、Si含量相对偏低,而C、Si都是增加铁素体含量的元素〔6〕,与伸长率213%的试样相比,金相组织中铁素体含量相对较少,珠光体含量相对增多,而塑性变形主要来自铁素 体,因此基体塑性变形相对较差,从而留下大量较浅的韧窝。5 结论(1)伸长率超过20%时 ,试样断口具有韧性断裂的微观特征,断裂机理为石墨与铁素体基体脱离,铁素体基体发生充分的 塑性变形,在试样断口上留下较大、较深的韧窝,甚至有撕裂带;(2)伸长率为15%～16% 时,试样断口具有混合型断裂的微观特征,断裂机理是由于存在较多的畸形石墨和“白色异形相” 杂质,因此在尖角处易形成微裂纹源,受外力作用时,裂纹源迅速扩展,造成局部穿晶断裂;(3 )由于铁素体含量减少,珠光体含量增多,因此基体塑性变形相对较差,在试样断口上留下大量较 浅的韧窝。QT400-18铸态高韧性球墨铸铁拉伸断口特征与断裂机理@周惦武$湖南大学材料科学与工程学院!湖南长沙410082
@彭平$湖南大学材料科学与工程学院!湖南长沙410082
@赖海萍$湖南大学材料科学与工程学院!湖南长沙410082
@胡艳军$湖南大学材料科学与工程学院!湖南长沙410082
@赵占伟$世林冶金设备有限公司!河南漯河462000
@刘金水$湖南大学材料科学与工程学院!湖南长沙410082铸态;;高韧性球墨铸铁;;断裂机理通过对QT400 18铸态高韧性拉伸断口特征及断裂机理的分析,发现伸长率超过20%时,试样断口具有韧性断裂 的微观特征,在断口上留下较大、较深的韧窝,甚至有撕裂带。而伸长率为15%～16%时,试 样断口具有混合型断裂的微观特征,在尖角处易形成微裂纹源,受外力作用时,裂纹源迅速扩展, 造成局部穿晶断裂;同时由于铁素体含量减少,珠光体含量增多,基体塑性变形相对较差,在试样 断口上留下大量较浅的韧窝。〔1〕 魏庚庆,等.连续冷却淬火奥氏体球墨铸铁的断裂韧性〔J〕.清华大学学报(自然科学版),1999,(2):46～48
〔2〕 戴品强,等.奥氏体 贝氏体球墨铸铁断裂的微观过程及强韧化机理〔J〕.钢铁研究学报,2001,(6):47～51
〔3〕 于功利,等.球墨铸铁疲劳裂纹扩展的微观机制〔J〕.机械工程学
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