QT400


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FOUNDRY

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1 , 彭 平1 , 赖海萍1 , 胡艳军 1 , 赵占伟2 , 刘金水1
( 1 湖南大学材料科学与工程学院, 湖南长沙 410082; 2 世林冶金设备有限公司, 河南漯河 462000) 摘要: 通过对 Q T 400 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。

关键词: 铸态; 高韧性球墨铸铁; 断裂机理 中图分类号: T G255 文献标识码: A 文章编号: 1001 4977 ( 2004) 06 0443 04 -

Fracture Character and Fracture Mechanism of the Tensile Sample of QT400 18 As cast High Toughness Ductile Iron ZHOU Dian wu1 , PENG Ping1 , LAI Ha- ping1 , HU Yan jun1 , ZHAO Zhan wei 2 , LIU Jin shui1 i ( 1 Institute of Material Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan, China; 2 Shilin Metallurgy Equipment CO. Ltd. , Luohe 462000, Henan, China) Abstract : A study on fracture character and fracture mechanism of the tensile sample of QT400 -18 as cast high toughness ductile iron was given in the paper. The experiment results showed as the following: when the elongation of tensile sample was over 20% , the micro -character of the tensile sample was toughness rapture ( its fracture mechanism was given) , first graphite was divorced from the ferrite matrix, then suffi cient plastic distortion occurred in the ferrite matrix , finally the greater and deeper toughness nest with teared surface layer left behind in the fracture of test sample; when the elongation of tensile sample was between 15% and 16%, due to many abnormality duct ile and white impurity , some tiny cracks were found at their tine corner. These cracks spread rapidly through the crystal if they suffered the outside force; at the same time it was rather difficult that the plast ic distortion took place in the matrix thanks to the ferrite content decreasing and the pearlite content raising , at last the flat toughness nest left behind in the fracture of test sample. Keywords: as cast; high toughness ductile iron; fracture mechanism 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。QT 400 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
3 1, 2

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 14m m, 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 4 2% ~ 4 4% C, 1 2% ~ 1 4% Si, Mn < 0 20% , S < 0 03% , P < 0 06% 。球化剂选用 F eSiM g8RE7 合金, 采用冲入法 进行球化 处理; 孕 育剂选用 75FeSi, 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 25mm 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

,

球铁疲劳裂纹扩展的 微观机制也有少 量报道 , 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 21 3% , 从而成功地解决了生

收稿日期: 2003 -20 收到初稿, 2003 12 -11 - -12 收到修订稿。 作者简介: 周惦武 ( 1971- ) , 男, 湖北浠水县人, 讲师, 博士研究生, 主要从事材料制备与材料加工的研究。E -mail: ZD We mail@ 163 net -

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试在 WE 30 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 5610L V 型扫描电子显微 镜对拉伸试样断口进行形貌观察。

长率 21 3% 时, 球铁的球化率 90% ~ 95% , 石墨 15 ~ 30 m, 铁素体量超过 95% 。

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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~ 60 m, 铁素体量 75% ; 伸
Table 1
试样 编号 0# 1# C 3. 42 3. 65 Si 2. 48 2. 53 Mn 0. 15 0. 11 ( a) 伸长率 15 5% 100 图1 Fig 1 ( b) 伸长率 21 3% 100 试样的金相组织

M icrostruct ure of t ension specimen

表 1 试样的化学成分及力 学性能 Chemical composition and mechanical properties of the tension specimen
化学成分( % ) S 0. 035 0. 020 P 0. 054 0. 042 RE 0. 022 0. 023 Mg 0. 049 0. 037
b/

力学性能 M Pa (%) 15. 5 21. 3

484. 0 432. 4

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 21 3% 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 15 5% 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。
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 T he comparison of fract ure morphology of t ension specim en elongation 15 5% ( up) w ith 21 3% ( dow n)

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 21 3% 试样的金相组织中铁素体含量在 95% 以

4

分析与讨论
由图 2 可知, 伸长率 21 3% 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

铸造

周惦武等: QT400 18 铸态高韧性球 墨铸铁拉伸断口特征与断裂机理 4

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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 , 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 图3 Fig 3

( c) 断口局部形貌 200

( d) 断口局部形貌 200

伸长率 21 3% 试样断口电镜扫描照片

SEM M orphologies of t ension specimen w it h t he elongation of 21 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 图4 Fig 4

( c) 1/ 3 部分灰色区域形貌 200

( d) 脱落石墨 1000

伸长率为 15 5% 时试样断口电镜扫描照片

SEM M orphologies of t ension specimen w it h t he elongation of 15 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、 M g、RE 等元素。由于伸长率 15 5% 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

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。
参考文献:
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, 与伸长率 21 3% 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。

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Walton C F, Opar T J . Iron Cast ings Handbook M et allurgical Indust ry Press, 1981

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M . Beijing:

( 编辑: 李世成, lsc@ foundryworld com)


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