铁素体晶粒尺寸及晶界夹杂物对球墨铸铁冲击断裂行为的影响.pdf

·774·铸 造FOUNDRYAug．2016V01．65 No．8铁素体晶粒尺寸及晶界夹杂物对球墨铸铁冲击断裂行为的影响蒋立鹏，曲迎东，张新宁，李荣德(沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110870)摘要：在低温下对不同晶粒尺寸I拘QT400．18L及QT350．22L球墨铸铁件进行Charpy缺口系列冲击实验。实验结果表明，晶粒大小及晶界分布对冲击性能有明显影响；粗大晶粒QT400．18L铁素体球墨铸铁的解理断裂单元尺寸比细小晶粒的解理断裂单元尺寸大，低温冲击作用下解理裂纹开始和扩展遇到粗大晶粒的概率也相应较高。晶界处夹杂物的存在导致韧窝断口处往往存在一些细微孔洞，这些孔洞排布紧密且全部分布在变形的最后区域即韧窝的边缘部位，这种由夹杂物引起的显微孑L洞的连接导致了材料的最终断裂。关键词：晶粒尺寸；晶界；球墨铸铁；冲击吸收功中图分类号：TGl43．5 文献标识码：A 文章编号：1001—4977(2016)08—0774—05The Effect of Grain Size and Grain Boundary Inclusion on ImpactFracture Behavior of Ferritic Ductile l ronJIANG Li—peng，QU Ying·dong，ZHANG Xin-ning，LI Rong-de(School ofMaterials Science and Engineering，Shenyang University ofTechnology，Shenyan91 10870，Liaoning，China)Abstract：The impact toughness ofQT400·-1 8L and QT350·-22L ductile irons was measured by V--notch Charpyimpact test at room and low temperatures．OM and SEM were used to analyze the size of ferritic grains and thecleavage facts．Experimental results show that the effect of grain size and grain boundary inclusion on impacttoughness offerritic ductile iron is obvious．and fracture facet size ofcoarse grain of400．1 8L is bigger than finegrain．The probability ofcrack beginning，extending and meeting coarse grain will increase，the micro pores willbe found at dimple fracture because of inclusion at grain boundary，these micro pores arrange at dimple edgetightly．Inclusions on grain boundaries 1ead to the formation ofmicro pores on dimple fracture．these micro poreslead to material rupture．Key words：grain size；grain boundary；ferritic ductile iron；impact absorbed energy近年来，工作在低温环境中的球墨铸铁零部件需求量大增，如大型风力发电机组轮毂、底座等，此类铸件对低温冲击性能指标的要求极为严格，例如牌号QT400—18L的球墨铸铁为常用的风电配件用球墨铸铁，其韧性较好、强度较低，因此在常温的工作环境下不容易发生脆性断裂；但在低温条件下，其力学性能发生显著变化，即强度提高，而塑性和韧性降低，容易发生脆性断裂，研究表明，球墨铸铁组织中，球状石墨是影响球墨铸铁性能的重要因素，通常期望获得球形圆整、分布均匀、球径较小、数目较多的石墨球【1．3]。然而针对铁素体晶粒尺寸及晶界夹杂物对铁素体球墨铸铁低温冲击断裂行为的影响规律并没有系统的研究。因此，本文对不同晶粒尺寸的两种牌号铁素体球墨铸基金项目：收稿日期：作者简介：通讯作者：铁V型缺口试样进行了不同温度下的冲击实验，采用扫描电镜及透射电镜对其冲击断口形貌及显微组织进行分析，从宏观和微观两方面系统地研究了晶粒尺寸及晶界夹杂物对铁素体球墨铸铁冲击断裂行为的影响，从而较深入地探讨了球墨铸铁低温冲击断裂的微观机理。1试验材料及方法试验原材料为低硅生铁和废钢，采用化学分析和光谱分析确定成分含量。具体实验过程如下：在50 k中频感应电炉中进行熔炼，采用冲入法球化处理，孕育剂覆盖在球化剂上，并用75SiFe进行浮硅二次孕育。获得合格的QT400—18L及QT350—22L铁素体球墨铸铁，国家自然科学基金(51274142)；辽宁省自然科学基金(2014028015)。20164)3-21收到初稿，2016-04—38收到修订稿。蒋立鹏(1987一)，男，博士生，主要研究方向为铁素体球墨铸铁低温性能。E-mail：lepusjiang@163．COrn曲迎东，男，教授，博士，博士生导师。电话：024—25496166，E-mail：quyingdong@163．corn万方数据铸造 蒋立鹏等：铁素体晶粒尺寸及晶界夹杂物对球墨铸铁冲击断裂行为的影响 ．775．其化学成分见表1。按照GB／T 229—2007标准制成v型缺VI试样【4】，在20～一80℃环境下采用摆锤式冲击试验机(Instron9250HV)进行Charpy冲击实验，测量冲击功均为同条件下3个试样测试值的平均值。金相试样通过抛光后经4％硝酸酒精溶液进行腐蚀。组织和断口形貌分别通过光学显微镜(OLYMPUS．GX51)和扫描电镜(HitachiS-3400N)进行观察，在进行扫描的同时对晶界夹杂物进行EDS扫描。表1 QT枷一18L和QT350—22L的化学成分表Table 1 Chemical composition of QT400-1SL andQT350-22L wd％材质 C Si Mn P S Re Mg FeQT400-18L 3．80 2．34 0．075 0．025 0．008 0．019 0．048余量QT350．22L 3．87 1．87 0．084 0．034 0．006 0．018 0．043余量2试验结果图1为QT400．18L和QT350．22L球墨铸铁的冲击吸收功随温度变化曲线。可见随着试验温度的降低，QT400—18L和QT350—22L球墨铸铁的冲击吸收功均呈明显的下降趋势，从图中可以看出，QT400—18L球墨铸铁的冲击吸收功与QT350．22L相比略低，且两条曲线的变化趋势一致。图1 冲击吸收功随温度变化曲线Fig．1 Curves ofimpact absorbed energy and temperature图2显示TQT350．22L和QT400．18L球墨铸铁的显微组织。测得二者的球化率为95％以上，基体几乎为100％铁素体，根据GB／T6394．2002金属平均晶粒度测定方法，统计l 1111112内铁素体晶粒面积，换算成等效直径ECD(equivalent circle diameter)，测得平均晶粒尺寸同。图3为QT350—22L球墨铸铁的晶粒度级别及等效晶粒尺寸分布，测得其平均晶粒尺寸为48．4 Ixm，6级晶粒度。其中按面积分数，6级晶粒最多，d560％左右，5级晶粒占20％，其余占20％，晶粒面积按ECD统计呈双峰分布，其中60斗m以上的粗大晶粒所占面积分数在20％以上。图4a显示按晶粒度和按ECD统计的QT400．18L晶粒面积和数量分布，其中按面积分数，6级晶粒最多，占50％左右，5级晶粒占20％，其余占30％。图4b显示QT400—1 8L晶粒面积分布按ECD统计也呈双峰分布，但60斗m以上的粗大晶粒所占面积分数占近30％。re'o““e气棼蕊≥募≥季i蘑冀．漆二；．；：≤．{‘．氏?·．‘毒．，t?参：‘·．：：：蕊≤．≤：醛蘸丈；?鬻#群王鬻≯溪羔鬟枣鸯0饕≥’|-'．．···_．’?。．．’耳；●_，晶粒度级别(a)品粒度级别分布(b)等效晶粒尺寸分布图3 QT350．22L昆N粒度级别及等效晶粒尺寸Fig．3 Grain size and equivalent circle diameter ofQT350—22L万方数据Aug．2016．776． FOUNDRY V01．65 No．8。——————————————————————————————————————————————————————————————一晶粒度级别(a)晶粒度级别分邪(b)等效晶粒尺寸分布图4 QT400—1 8L晶粒度级别及等效晶粒尺寸Fig．4 Grain size and equivalent circle diameter ofQT400—1 8L3分析讨论图5为两种材质铸铁的典型解理面，图6为不同晶粒度下解理面尺寸分布，从图5和图6对比可以看出，粗大晶粒球墨铸铁的解理断裂单元尺寸比细小晶粒的解理断裂单元尺寸大。表2统计结果表明，对于同一球墨铸铁材料，在不同温度下的解理断裂单元尺寸平均值基本保持不变。也就是说，对于相同晶粒度的球墨铸铁材料而言，可以将解理断裂单元尺寸平均值看成一个材料常数，即在韧脆转变过程中，随着温度降低，解理断裂单元尺寸平均值大小保持不变，而数量却不断增加，从而使脆性断口的比例不断增大，最后达到100％的解理断口。上述研究表明解理平面尺寸与单个晶粒大小相对应。而大部分晶粒裂纹扩展穿过晶界，裂纹扩展方向上遇晶界因相邻晶粒晶面取向差发生改变或终止，这表明晶粒尺寸对解理断裂扩展起着主导作用。因此，对球墨铸铁而言，暂时不考虑石墨球的作用，解理断裂临界事件可以认为是由铁素体晶粒尺寸控制的穿过晶界的裂纹扩展，裂纹形核后继续扩展或得到抑制取决于周围的晶粒尺寸，这种情况下的晶粒尺寸对断裂应力的影响可用公式(1)表示[51：盯产(溉) (1)盯产I前J LlJ式中：盯，为断裂应力；E为弹性模量(173 GPa)；饰为(b)QT400一18L图5典型解弹面Fig．5 Cleavage fracture解理面尺寸lima(a)QT350．22L(b)QT400-18L图6不同晶粒度下解理面尺寸分布Fig．6 Dimension offracture facet under different grain size界面能，铁素体晶粒尺寸控制的裂纹扩展的饰值为50--一300 J／m2；泊松比秽为0．3；d为晶粒尺寸。前面所分析的QT400—18L铁素体的晶粒尺寸在60仙m以上的粗大晶粒所占面积分数在30％以上，也就是说裂纹尖端周万方数据铸造 蒋立鹏等：铁素体晶粒尺寸及晶界夹杂物对球墨铸铁冲击断裂行为的影响表2不同温度下两种球墨铸铁的解理面尺寸Table 2 The average of fracture facet diameter ineach test temperature ，pm围局部区域晶粒尺寸在60仙m以上的粗大晶粒的概率为30％以上，这大大降低了局部断裂应力，显著增加了解理断裂的扩展几率。以较低％值50 J／m2和平均晶粒尺寸48．4¨m得到断裂应力为l 037 MPa，而以晶粒尺寸60 p．m计算得到的局部断裂应力则大幅降低至756 MPa。因此QT400—18L球墨铸铁低温冲击作用下解理裂纹开始和扩展遇到粗大晶粒的概率也相应较高。研究还发现石墨球外夹杂物的存在也可能引发解理断裂。图7中所指为存在于解理平面上诱发解理断裂的夹杂物，夹杂物所在解理平面为解理裂纹源，河流花样以解理平面为中心向周围扩展，EDX能谱分析表明夹杂物富含Mg、P、O等元素。(a)含有夹杂物的解理平面KeV(b)央杂物能谱图7解理平面处的夹杂物Fig．7 Inclusion on cleavage fracture图8为高倍球墨铸铁显微组织金相照片，图中箭头所示处分布着比较密集的黑色不规则粒状的夹杂物。结合断口处的EDX扫描分析，这是由于球墨铸铁中S、P、Mg等晶界弱化元素往往倾向于在晶界上偏析，因此在晶界处往往容易形成MgO等夹杂物。球墨铸铁在凝固过程中，初生石墨会先行析出，而液相组成会沿着液相线往共晶组成偏移，当液相组成达到共晶组成时，初生石墨会局部先行共晶析出(图9a)，这些局部先行析出共晶区域称为共晶胞。随着凝固时间进行，共晶胞会向液相成长而彼此互相交接。数个共晶胞交接的区域为球墨铸铁最后凝固的共晶胞界区域(图9b)，通常夹杂物及偏析元素都会聚集在这个区域附近，即图7a所示的夹杂物分布在晶界处t7]。图8晶界j二夹杂物Fig．8 Inclusion on grain boundarya)石墨共晶析出(b)共晶胞界区域材r…灭杂物图9 必杂物形成过程Fig．9 The formation of inclusion这种晶界处夹杂物往往对球墨铸铁的冲击断裂行为产生一定的影响，观察冲击断口中韧窝的形貌特征(图10)，发现细小夹杂物的存在导致韧窝断口中细小显微孑L洞的出现，这些孔洞排布紧密且全部分布在变形的最后断裂区域即韧窝的边缘部位，由此可以推断这种由夹杂物引起的显微孔洞的连接导致了材料的最终断裂嘲。万方数据Aug．2016．778． FOUNDRY V01．65 No．8图10韧窝边缘夹杂物引起的显微-YLiIi]Fig．10 Micro pores On the boundary ofdimple4结论(1)粗大晶粒QT400．18L球墨铸铁的解理断裂单元尺寸比细小晶粒的QT350．22L球墨铸铁解理断裂单元尺寸大，低温冲击作用下解理裂纹开始和扩展遇到粗大晶粒的概率也相应较高。(2)晶界处夹杂物的存在导致韧窝断口中往往存在一些细小的显微孔洞，这些孔洞排布紧密且全部分布在变形的最后区域即韧窝的边缘部位，这种由夹杂物引起的显微孔洞的连接导致了材料的最终断裂。参考文献：[1】王强，李雷，桃野正．球墨铸铁低温冲击韧性的研究们．铸造，2010．59(2)：193—196．【2]骆晓纲．球墨铸铁低温冲击韧性的改善【J】．铸造，1994(10)：28—32．【3】3 马敬仲，丁建中，尤其光，等．超低温高韧性球墨铸铁QT400．18AL的研究及应用【J】．铸造，2012，8(61)：856-861．[4】GB／T229．2007．金属材料夏比摆锤冲击试验方法【s]．北京：中国标准出版社，2007．【5]GB／T 6394．2002．金属平均晶粒度测定法【s]．北京：中国标准出版社，2003．【6] Ritchie R O，Knott J F，Rice J R．On the relationship betweencritical tensile stress and fracture toughness in mild steel叨．Journalofthe Mechanics and Physics ofSolids，1973，21(6)：395-410．[7】Heine R W．The Fe-C·Si solidification diagram for cast irons[J]．AFSTrans，1986，94：391-402．[8】8 Suo Z．Zener's crack and the M·integral【J】．Transaction of theASME，2000。67(6)：417—418．(编辑：刘冬梅，ldrn@foundryworld．corn)我厂足生产铸造用芯撑(铸顶)、涂料笔、造型【j0的专业制造厂，30年来q：产的“西果”系列铸具销往全国各地，质尉占誉好，服务到位，规格全，当IIIIIIj寄。·可供图订做，产6^实行三包，欢迎周内外新老客户洽谈。一、芯撑(工字型铸卡)：各种高度、形状(圆、方、长方形)单柱、双柱，各种垫片。二、涂料笔：羊毛掸笔2～1 2 cm(1 o个品种)，水笔1．2～2 Gm(3个品种)，猪鬃掸笔等。三、修造型工具(材质：不锈钢、弹簧钢)。四、铸铁、铸钢、铸铝用过滤网、过滤片，通气管绳。 ／mm壬__Tl 。 170 x日6 ’：- 280x 24 l。 260x 52圆竹批口u。J3= 145×q5 4： 240×20 压 勺 1= 2qOX q5一尖．大刮『J 150×q3 五竹批 3 1 260×22 d“ 200 X 321 5 360 x16 秋叶 2。 i80、32、22 法兰钩 260×l 3提钩3。 齐头压勺 3= 2rl()x 32 托兰根 2— 220x16x 025320×12钩批 '： 300、2n x1口 双齐头匿勺 2“ 220x 30 直角光子 '= 75x 36×20- -电话：0318--8438663 联系人：王丙迂王恒果 手机：13803182813 13932828519传真：0318-8438663 网址：WWW．XCZZEJ．com 银行汇款：枣强县西果铸造工具厂开户行：枣强县建设南路信用社 账号：181302011075956 农行金穗卡号：6228482138821691975(王丙迁)万方数据