低镍球墨铸铁低温冲击性能及断裂机理研究.pdf

低镍球墨铸铁低温冲击性能及断裂机理研究３３低镍球墨铸铁低断裂机理研究温冲击性能及ＩｍｐａｃｔＢｅｈａｖｉｏｒａｎｄＦｒａｃｔｕｒｅＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＤｕｃｔｉｌｅＣａｓｔＩｒｏｎｗｉｔｈＭｉｎｏｒＮｉｃｋｅｌＡｄｄｉｔｉｏｎａｔＬｏｗＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ陈江，黄兴民。，高杰维。，董海，戴光泽（１西南交通大学材料科学与工程学院，成都６１００３１；２西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室，成都６１００３１）——”ＣＨＥＮＪｉａｎｇ，ＨＵＡＮＧＸｉｎｇｒａｉｎ，ＧＡＯＪｉｅｗｅｉ，—ＤＯＮＧＨａｉ．ＤＡＩＧｕａｎｇｚｅ＇（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３１，Ｃｈｉｎａ；２ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ（ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ），ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）摘要：使用激光共聚焦显微镜、扫描电镜和示波冲击等实验手段研究了镍元素（０．０Ｖｏ～０．９％，质量分数，下同）对球墨铸铁的微观组织和低温冲击性能的影响，对低温断裂机理进行了探讨。结果表明：含镍０．７退火态球墨铸铁的韧脆转℃℃变温度低于一６Ｏ，其一７Ｏ下冲击功高于１２Ｊ；适量镍元素添加能有效地细化晶粒和强化基体，改善球墨铸铁的低温冲击性能。关键词：球墨铸铁；低温冲击性能；韧脆转变中图分类号：ＴＧ１４３．５文献标识码：Ａ———文章编号：１００１４３８１（２０１２）１２００３３０６Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇｌａｓｅｒｃｏｎｆｏｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ＳＥＭ，ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄｉｍｐａｃｔａｎｄｏｔｈｅｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ—ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｎｉｃｋｅ１ｃｏｎｔｅｎｔ（０．０一０．９，ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｓａｍｅｂｅｌｏｗ）ｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｍｐａｃｔｔｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｄｕｃｔｉｌｅｃａｓｔｉｒｏｎ（ＤＣＩ）ｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｆｒａｃ—ｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＤＣＩｓｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｆｕｒｔｈｅｒａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｂｙｕｓｉｎｇｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｍｉ———ｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＥＭ）．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｄｕｃｔｉｌｅｔｏｂｒｉｔｔｌｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆａｓａｎｎｅａｌｅｄＤＣＩｓ—ｗｉｔｈ０．７Ｎｉｃｏｎｔｅｎｔｉｓｌｏｗｅｒｔｈａｎ一６０￣Ｃ，ｔｈｅｉｍｐａｃｔｅｎｅｒｇｙｏｆＣｈａｒｐｙｔｙｐｅｔｅｓｔｉｓｓｔｉｌｌｈｉｇｈｅｒｔｈａｎ１２Ｊａｔ一７０￣Ｃ．ＭｉｎｏｒＮｉａｄｄｉｔｉｏｎｏｆｐｒｏｐｅｒｑｕａｎｔｉｔｉｅｓｍｉｇｈｔｆａｖｏｒｔｈｅｇｒａｉｎｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔａｎｄｍａｔｒｉｘｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ，ｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｍｐａｃｔｔｏｕｇｈｎｅｓｓｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＤＣＩｓａｒｅｍａｒｋｅｄｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ．——Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｕｃｔｉｌｅｃａｓｔｉｒｏｎ；ｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｍｐａｃｔｔｏｕｇｈｎｅｓｓ；ｄｕｃｔｉｌｅｔｏｂｒｉｔｔｌｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ由于具有石墨球均匀弥散在珠光体、铁素体等不同基体上的独特微观组织，以及优异的室温综合力学性能和相对于钢的低廉成本，球墨铸铁在现代制造业中得到了大量运用ｒ】］。当前，一些特殊领域如石油管道，风电设施和严寒地区轨道交通运输等…领域对球墨铸铁材料的极低温度下（４０℃５０以下）的力学性能特别是冲击韧性提出了更严苛的要求。如何在保证良好的机械强度和服役性能的基础上，制备耐低温冲击的高强韧性球墨铸铁具有实际工程需求和理论研究价值。众所周知，通过成分设计、控制成形工艺及优化热处理工艺等方法可以改善和调节合金的微观组织，有效地提高其力学性能＿２］，比如高镍（含量高于６）奥氏体不锈钢就具有优良的超低温冲击性能［４；另外Ｇ．Ｓ．Ｃｈｏ＿５等研究了微量元素对厚大截面球墨铸铁铸态微观组织和室温力学性能的影响；孙玉福＿６等研究了镍对低温℃（一４０）高韧性球墨铸铁组织及性能的影响；王强Ｌ７等研究了珠光体率和石墨数量对各热处理态球℃墨铸铁低温（一２０）冲击性能的影响。但是，镍元素对球墨铸铁低温（～４０℃８０）冲击性能的影响及其低温断裂机理相关研究报道较少。因此，本工作较系统地研究了微量镍元素对球墨铸铁微观组织℃和低温（０～一８Ｏ）冲击性能的影响，并对退火态含镍球墨铸铁的低温断裂机理进行了分析。３６材料工程／２０１２年１２期和石墨球细小，球化率和大小均匀性良好，屈服强度和伸长率最高。图３是不同镍含量铸态和退火态球墨铸铁的冲击功一温度曲线。可见，冲击功随着测试温度降低而下降，而退火态球铁的冲击功明显优于铸态样品。含镍退火态球铁的低温冲击性能优于无镍球铁。无镍球铁具有明显的冲击断裂温度敏感性，当实验温度从一℃℃４０下降到一７０时，冲击功从１３．２１Ｊ骤降为℃６．９８Ｊ。而含镍球铁在一３０～一８０温度区间内具有优异的冲击性能，特别是０．７Ｎｉ退火态球墨铸铁，一７０￣Ｃ下的冲击功仍高于１２Ｊ。退火态球墨铸铁的基体组织为铁素体，基体晶粒尺寸和石墨球大小形态影响了球墨铸铁低温冲击性能。Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／￣Ｃ图３不同镍含量铸态和退火态球墨铸铁的冲击功一温度曲线—Ｆｉｇ．３ＩｍｐａｃｔｅｎｅｒｇｙｏｆａｓｃａｓｔａｎｄａｎｎｅａｌｅｄｓａｍｐｌｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔＮｉｃｏｎｔｅｎｔｓｖｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ图４为含镍０．７退火态试样冲击载荷一位移曲℃线。Ｖ型缺口试样在一６Ｏ下受到冲击时（曲线ａ），进入弹性变形阶段，冲击载荷随位移呈类线性变化；随后发生微量的塑性变形并屈服，载荷达到最大值约１６ｋＮ，然后载荷逐渐下降，意味着裂纹萌生并开始扩℃展，直至断裂发生；Ｖ型缺口试样在一８Ｏ下承受冲击时（曲线ｂ），首先进入弹性变形阶段，冲击载荷随位移呈类线性变化，达到最大值约１１ｋＮ后逐渐下降，裂纹萌生并开始扩展直至断裂，下降段曲线未观察到曲线—ａ中的塑性变形段。参照ＧＢ／Ｔ１９７４８２００５［１］（钢材夏比Ｖ型缺口摆锤冲击试验仪器化试验方法），含镍０．７退火态试样一６０￣Ｃ时冲击载荷一位移曲线为典型的韧性断裂曲线，而一８０￣Ｃ下断裂形式可能仍保留着部分韧性特征。２．３ＳＥＭ断口形貌℃对于无镍退火态球墨铸铁，一４０下宏观冲击断口形貌凹凸不平，材料在断裂前产生明显的塑性℃变形，对应较高的冲击功；而一５Ｏ下宏观断口表面０Ｏ０．２０．４０．６０．８１．Ｏ１．２１．４１．６１．８２．０Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ／ｍｍ图４含镍０．７退火态试样示波冲击载荷一位移曲线—Ｆｉｇ．４Ｌｏａｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｓｏｆａｎｎｅａｌｅｄｓｐｅｃｉｍｅｎｗｉｔｈ０．７Ｎｉ平整，说明在断裂前未产生明显塑性变形，对应较低的冲击功。图５为无镍和含镍０．７９／６退火态球墨铸铁冲击断℃口扫描电镜照片。如图５（ａ）所示，无镍试样一４０下的冲击断口由大量韧窝和少量河流花样组成，部分区域韧窝大而深，虽然从断口中看出有少量区域属于准解理断裂，但主要还是呈现出韧性断裂的特征。图５℃（ｂ）是无镍试样一５０下冲击断口形貌。可知，冲击断口由大量河流花样组成，解理裂纹沿着一定的结晶面穿过相邻的晶粒，与低碳钢的脆性断裂口相似。由于这些晶粒间倾斜角度大多较小，相邻晶粒的解理面位向差小，呈近连续状，所以断口较为平齐，仅有少量的韧窝。℃图５（ｃ），（ｄ）为含镍０．７％退火态试样一６Ｏ和一℃８Ｏ时的断口形貌，可以看出其与无镍试样一℃℃４０和一５Ｏ时的断口形貌相似，但含镍０．７试样在更低的实验温度下韧窝数量更多且更细小，意味着断裂过程裂纹萌生和扩展阻力变大，对应着较高的冲击功。℃℃图６为含镍０．７退火态试样一６０和～８Ｏ℃冲击断口石墨球邻近微区形貌。图６（ａ）为一６０时冲击断口石墨球微区形貌。可以看出，石墨球与孔洞壁间有较大的空隙，但仍有部分黏着；石墨球上表面不圆整呈山尖状且整体变形较大，这可能是由于裂纹扩展过程中的塑性撕裂行为所致。由图６（ｂ）可℃知，一８Ｏ下石墨球与孔洞壁间间隙较小，周围也没有明显的撕裂拉扯痕迹，说明裂纹萌生和扩展过程中阻力较小，很快发生脆性断裂。结合冲击载荷一位移曲线的分析结果，含镍０．７退火态球铁冲击试样℃℃在一６０下发生韧性断裂，而在一８０下表现出明显的脆性断裂特征，由此推断其韧脆转变温度低于一℃６０８６４２Ｏ８６４２，ｐ日０ｒｌ３８材料工程／２０１２年ｌ２期殖较难发生，弹性能不易发生松弛；同时，过多镍恶化残余珠光体形貌及石墨球形态，导致低温冲击性能的降低。３结论（１）镍含量影响球墨铸铁金相组织，珠光体数量随着镍含量升高而增加；过多镍导致残余珠光体形貌及石墨球大小形态的恶化和低温冲击韧性的降低。（２）适量镍可以对基体产生晶粒细化的有利效果，提高基体的强韧性；采用合适的热处理工艺进一步提高合金的低温冲击性能。℃（３）含镍０．７退火球墨铸铁冲击试样在一６０℃下仍然属于韧性断裂，一７０时冲击功仍高于１２Ｊ。［１］参考文献ＣＡＲＤＡＲＥＬＬＩＦ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓｈａｎｄｂｏｏｋ：ａｃｏｎｃｉｓｅｄｅｓｋｔｏｐｒｅｆｅｒｅｎｃｅ［Ｍ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２００８．—［２］ＣＨＥＮＧＹＨ．ＨｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｉｎＴａｉｗａｎ：ｎｅｗｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅａｎｄｉｓｓｕｅｓｆｏｒｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ［Ｊ］．ＴｒａｎｓｐｏｒｔＰｏｌｉｃｙ，２０１０，１７（２）—５１６３．［３］ＭＡＫＩＮＯＴ，ＫＡＴＯＴ，ＨＩＲＡＫＡＷＡＫ．Ｒｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅｆａｔｉｇｕｅ—ｄａｍａｇｅｔｏｌｅｒａｎｃｅｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙａｘｌｅｓｉｎＪａｐａｎ［Ｊ］．Ｅｎｇ—ＦｒａｃｔＭｅｃｈ，２０１１，７８（５）：８１０８２５．［４］ＩＢＲＡＨＩＭＯＨ，ＩＢＲＡＨＩＭＩＳ，ＫＨＡＬＩＦＡＴＡＦ．Ｉｍｐａｃｔｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｗｅｌｄｍｅｎｔｓａｔｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ［Ｊ］．—ＥｎｇＦａｉｌＡｎａｌ，２０１０，１７（５）：１０６９１０７６．—［５］ＣＨＯＧＳ，ＣＨＯＥＫＨ，ＬＥＥＫＷ，ｅｔａ１．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆａｌｌｏｙｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｈｅａｖｙｓｅｃｔｉｏｎｄｕｃｔｉｌｅｃａｓｔｉｒｏｎ［Ｊ］．ＪＭａｔｅｒＳｅｉＴｅｃｈｎｏｌ，２００７，２３（１）：—９７１０１．［６］孙玉福，尤三三，肖志云，等．镍对低温高韧性球墨铸铁组织及性—能的影响［Ｊ］．铸造，２０１１，６０（２）：１２０１２５．［７］王强，李雷，桃野正．球墨铸铁低温冲击韧性的研究［Ｊ］．铸造，—２Ｏ１Ｏ，５９（２）：１９３１９６．ｒ８］ＦＡＴＡＨＡＬＬＡＮ，ＡＢＵＥＬＥＺＺＡ，ＳＥＭＥＩＤＡＭ．Ｃ，ＳｉａｎｄＮｉａｓａｌｌｏｙｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｓｔｏｖａｒｙｃａｒｂｏｎｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｏｆａｕｓｔｅｎｉｔｉｃｄｕｃｔｉｌｅｃａｓｔｉｒｏｎ：ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ［Ｊ］．ＭａｔＳｃｉ——Ｅｎｇ：Ａ，２００９，５０４（１２）：８１８９．Ｃ９］ＡＬＡＧＡＲｓＡＭＹＡ．Ｄｕｃｔｉｌｅｉｒｏｎｈａｎｄｂｏｏｋ［Ｍ］．ＤｅｓＰｌａｉｎｅｓ：’ＡｍｅｒｉｃａｎＦｏｕｎｄｒｙｍｅｎｓＳｏｃｉｅｔｙ，１９９２．［１Ｏ］ＫＡＲＳＡＹＳＩ．Ｄｕｃｔｉｌｅｉｒｏｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒａｃｔｉｃｅｓ［Ｍ］．Ｄｅｓ’Ｐｌａｉｎｅｓ：ＡｍｅｒｉｃａｎＦｏｕｎｄｒｙｍｅｎｓＳｏｃｉｅｔｙ，１９７５．［１１］ＢＵＲＤＩＴＴＭＦ．ＤｕｃｔｉｌｅＩｒｏｎＨａｎｄｂｏｏｋ［Ｍ］．ＤｅｓＰｌａｉｎｅｓ：’ＡｍｅｒｉｃａｎＦｏｕｎｄｒｙｍｅｎｓＳｏｃｉｅｔｙ，１９９３．—［１２］路焱。刘向东，李勇，等．含镍量对ＱＴ４００１８１低温冲击韧度的—影响［Ｊ］．铸造技术，２００７，２７（１２）：１３４２１３４５．［１３］ＳＡＬＺＢＲＥＮＮＥＲＲ．Ｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆｆｅｒｒｉｔｉｃｄｕｃｔｉｌｅｃａｓｔｉｒｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ，１９８７，２２（６）：—２１３５２１４７．—［１４］ＧＢ／Ｔ１９７４８２００５，钢材夏比Ｖ型缺１２１摆锤冲击试验仪器化试验方法［ｓ］．［１５］孙莹，于庆波．低碳钢的解理断裂机理及微观形貌分析［Ｊ］．昆—明理工大学学报：自然科学版，２Ｏ１１，３６（４）：１８２２．［１６］李娟，王文先，张兰，等．ＡＺ３１镁合金的缺口冲击韧性及其断裂机理［Ｊ］．材料科学与工程学报，２０１１，２９（２）：２４６２５１．基金项目：国家科技支撑计划资助项目（２００９ＢＡＧ１２Ａ０７）；２０１０年度中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（ＳＷＪＴＵＯ９ＺＴ２２）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（ＳＷＪＴＵ１２ＣＸ０１１）——收稿日期：２０１２－０３１５；修订日期：２０１２－０７１９作者简介：陈江（１９８７一），男，硕士研究生，从事高速列车关键零部件材料研制及材料防腐性能研究，联系地址：西南交通大学材料科学与工程学院（６１００３１），Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈａｎｎｅｌｃｊ＠１２６．ｃｏｒｎ通讯作者：黄兴民（１９８０一），男，博士，副教授，主要从事高速列车关键零部件材料研究，联系地址：西南交通大学材料科学与工程学院—（６１００３１），Ｅｍａｉｌ：ｘｍｈｕａｎｇ＠ｈｏｍｅ．ｓｗｉｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ米米米米米米米米采米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米（上接第３２页）［１２］ＧＵＥＮＴＨＥＲＳ，ＡＲＭＡＮＤＯＪ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｐｒｏｃｅｓｓｄｅｌｉｖｅｒｓ—ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｅｌｄｓ［Ｊ］．ＷｅｌｄｉｎｇＪｏｕｒｎａｌ，２００１，８０（６）：５３５７．［１３］罗君，刘政军，苏允海，等．纵向直流磁场对ＡＺ３１镁合金ＴＩＧ焊—焊接接头组织及性能的影响［Ｊ］．焊接学报，２００７，２８（７）：５３５９．［１４］刘楚明，刘子娟，朱秀荣，等．镁及镁合金动态再结晶研究进展—［Ｊ］．中国有色金属学报，２００６，１６（１）：１１２．———［１５］ＭＩＡＯＹｕｇａｎｇ，ＬＩＬｉｑｕｎ，ＣＨＥＮＹａｎｂｉｎ，ｅｔａ１．Ｓｔｕｄｙｏｎｈｅａｔ—ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｌａｓｅｒ－ＴＩＧｄｏｕｂｌｅｓｉｄｅｗｅｌｄｉｎｇ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＷｅｌｄｉｎｇ，—２００８，１８（１）：２３２７．———［１６］ＷＡＮＧＧｕｏｑｉｎｇ，ｗＵＡｉｐｉｎｇ，ＺＨＡＯＹｕｅ，ｅｔａ１．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｐｏｓｔ——ｗｅｌｄｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＴｉ－２３Ａ１－１７Ｎｂａｌｌｏｙｌａｓｅｒｂｅａｍｗｅｌｄｉｎｇｊｏｉｎｔｓ［Ｊ］．ＴｒａｎｓＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔ—ＳｏｃＣｈｉｎａ，２０１０，２０（５）：７３２７３９．基金项目：江苏省自然科学基金资助项目（ＢＫ２００９３５４）；南京工程学院科研基金资助项目（ＱＫＪＡ２０１０００２）；大学生科技创新基金资助项目（Ｎ２０１２０２０５）————收稿日期：２０１２０２１７；修订日期：２０１２０６２３作者简介：初雅杰（１９７９～），男，博士研究生，从事镁合金加工及焊接技——术研究，联系地址：南京工程学院材料工程学院（２１１１６７），Ｅｍａｉｌ：ｙａｉｉｅｃｈ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｒｎ