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 本文采用原位顯微觀察方法對(duì)拉伸及沖擊截荷下的鐵素體球墨鑄鐵中石墨損傷破壞機(jī)制進(jìn)行研究，分析石墨球的形態(tài)、分布對(duì)裂紋萌生和擴(kuò)展等微觀機(jī)理的影響。結(jié)果表明：在拉伸載荷下，當(dāng)石墨球均勻分布且間距大于石墨平均尺寸時(shí)，石墨球與基體界面脫離，且石墨球內(nèi)部產(chǎn)生徑向裂紋或貫穿整個(gè)石墨的裂紋；當(dāng)石墨球聚集分布且間距小于石墨平均尺寸時(shí)，石墨球與基體之間裂紋連接形成尺寸較大的裂紋。在沖擊載荷下，石墨球存在“洋蔥狀”開(kāi)裂及內(nèi)部徑向開(kāi)裂等補(bǔ)充破壞機(jī)制。在拉伸和沖擊載荷下不規(guī)則石墨球均存在明顯層狀撕裂現(xiàn)象；快速封閉的奧氏體殼可保持石墨球圓整且周?chē)F素體晶粒均勻分布；慢封閉的奧氏體殼導(dǎo)致石墨畸變，周?chē)F素體晶粒分布不均勻。

 

01試樣制備與試驗(yàn)方法

 

     采用中頻感應(yīng)電爐對(duì)低硅生鐵和廢鋼等原材料進(jìn)行熔煉，獲得QT400-18L球墨鑄鐵。顯微組織如圖1所示，可以看出基體組織全部為鐵素體，石墨隨機(jī)分布，大部分呈球狀及團(tuán)狀，球化率良好，有些區(qū)域石墨球分布較均勻，有些區(qū)域石墨分布較聚集。

 

 

圖1 鐵素體球墨鑄鐵的顯微組織

 

     按照GB/T 228—2002標(biāo)準(zhǔn)，在試驗(yàn)材料上截取拉伸試樣，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，采用掃描電鏡觀察斷口附近石墨形貌。按照GB/T 229—2011，在試驗(yàn)材料上截取V型缺口沖擊試樣，利用示波沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，采用掃描電鏡觀察組織及裂紋形貌。

 

02試驗(yàn)結(jié)果與討論

 

2.1 拉伸后的石墨形貌

 

 

圖2 拉伸后鐵素體球墨鑄鐵中均勻分布石墨球的微觀形貌

 

      由圖2可以看出：在拉伸載荷作用下，當(dāng)石墨球均勻分布且石墨間距大于石墨平均尺寸時(shí)，石墨球上下兩端受力均衡，球墨鑄鐵基體在塑性變形過(guò)程中于石墨球兩側(cè)產(chǎn)生大小基本均等的縫隙，此時(shí)石墨球圓整度良好，但石墨球內(nèi)部產(chǎn)生由石墨球核心指向外殼的徑向裂紋，甚至形成貫穿整個(gè)石墨球的徑向裂紋。石墨球的異質(zhì)形核核心主要有MgS、CaS、SiO2、MgO、SiC等顆粒，石墨球核心多為單核心，也存在少量雙重和多重核心結(jié)構(gòu)；硫化物和氧化物熔點(diǎn)較高，且與石墨相比其硬度也較高，在外力作用下裂紋易在異質(zhì)形核核心處萌生，并沿徑向擴(kuò)展。石墨核心尺寸越大，石墨內(nèi)部徑向開(kāi)裂的可能性也越大。當(dāng)石墨球均勻分布時(shí)，球墨鑄鐵基體中通常不產(chǎn)生有害裂紋。

 

 

圖3 拉伸后鐵素體球墨鑄鐵中聚集分布石墨的微觀形貌

 

     由圖3可以看出：當(dāng)2個(gè)石墨球間距離很近，即小于石墨平均尺寸時(shí)，石墨球與周?chē)w均發(fā)生脫離，且間隙連通；當(dāng)聚集分布的石墨球數(shù)增加后，石墨球與基體間間隙彼此連接形成尺寸較大的裂紋。當(dāng)石墨球聚集分布時(shí)，石墨球內(nèi)部出現(xiàn)裂紋的概率比石墨球均勻分布時(shí)的小，但基體中萌生裂紋的概率增加，石墨球團(tuán)聚數(shù)量越多，團(tuán)聚區(qū)越容易產(chǎn)生應(yīng)力集中并萌生裂紋。

 

2.2 沖擊后的石墨形貌

 

     由于沖擊時(shí)的加載速率較大，通常在石墨球周?chē)粋?cè)造成比較明顯的縫隙。由于沖擊溫度較低，塑性變形較小，縫隙尺寸較小。由圖4可以看出：在低溫沖擊載荷作用下，石墨球的間距對(duì)石墨與基體間的開(kāi)裂形貌影響較小。

 

 

圖4 鐵素體球墨鑄鐵沖擊斷口附近的微觀形貌

 

     觀察發(fā)現(xiàn)石墨球與基體間的縫隙形狀主要與石墨球形狀相關(guān)，在石墨球不規(guī)則處更容易發(fā)生開(kāi)裂。由圖5可知：石墨球3圓整度不足，沖擊后石墨球右側(cè)與基體發(fā)生脫離，左側(cè)不規(guī)則石墨外殼層發(fā)生明顯開(kāi)裂，石墨周?chē)w發(fā)生明顯塑性變形，因此可推斷石墨開(kāi)裂是由于鐵素體基體塑性變形導(dǎo)致的；石墨球4在沖擊后出現(xiàn)明顯的“洋蔥狀”層狀開(kāi)裂現(xiàn)象，這種“洋蔥狀”層狀開(kāi)裂是由石墨球的生長(zhǎng)機(jī)制決定的。在球體螺旋生長(zhǎng)模型中，石墨球是由大量緊密堆集的并從一個(gè)中心向外放射的圓錐螺旋體組成，石墨球核在液態(tài)熔體中均勻同軸生長(zhǎng)，從而演變生成多層石墨球團(tuán)。最新研究認(rèn)為石墨球團(tuán)由內(nèi)到外可以分為3個(gè)區(qū)域：中心的石墨核心區(qū)、最外面的石墨錐形徑向生長(zhǎng)區(qū)以及二者之間的石墨片層圓周生長(zhǎng)區(qū)。在外力作用下石墨球最外區(qū)易沿扇形石墨生長(zhǎng)基面發(fā)生“洋蔥狀”開(kāi)裂，石墨核心區(qū)由于異質(zhì)形核核心的存在產(chǎn)生明顯開(kāi)裂現(xiàn)象，中間區(qū)域也出現(xiàn)少量沿徑向擴(kuò)展的曲折狀微裂紋。

 

 

圖5 沖擊前后鐵素體球墨鑄鐵斷口附近不同石墨球的形貌

 

2.3 不規(guī)則石墨球產(chǎn)生的原因

 

     由圖6可以看出：由球化不良等原因形成的不規(guī)則石墨球內(nèi)部結(jié)合力較弱，在沖擊和拉伸載荷作用下石墨球均存在明顯層狀撕裂現(xiàn)象，石墨球內(nèi)部多處出現(xiàn)形狀不規(guī)則微裂紋，且一些裂紋延伸到鐵素體基體中，起到裂紋源的作用。

 

 

圖6 沖擊和拉伸后鐵素體球墨鑄鐵斷口附近的不規(guī)則石墨球及周?chē)w破壞形貌

 

     影響石墨球圓整度的原因有很多，但其根本原因在石墨與奧氏體的凝固過(guò)程。通過(guò)觀察球墨鑄鐵顯微組織中石墨球及其周?chē)Я５姆植记闆r，可將石墨球分為兩種典型類(lèi)型：一種是石墨球周?chē)鄠€(gè)鐵素體晶粒分布比較規(guī)則且共同構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)，如圖7(a)所示；另外一種是石墨球周?chē)F素體晶粒不規(guī)則且無(wú)法構(gòu)成閉環(huán)，如圖7(b)所示。對(duì)比圖7(c)和圖7(d)發(fā)現(xiàn)：前者石墨球圓整度較高，后者石墨球多呈不規(guī)則狀；沖擊后斷口處圓整石墨球依然為完整的石墨球，而不規(guī)則石墨球則發(fā)生破碎，呈開(kāi)花狀，內(nèi)部清晰可見(jiàn)石墨片層。

 

 

圖7 沖擊前鐵素體球墨鑄鐵中不同形態(tài)石墨處組織以及沖擊后的微觀形貌

 

     球墨鑄鐵在非平衡凝固條件下發(fā)生離異共晶反應(yīng)，石墨球與奧氏體分別獨(dú)自形核，石墨核心直接與液體接觸進(jìn)行有限生長(zhǎng)，石墨核心尺寸一般為10~15μm，從而在石墨核心外形成奧氏體暈圈，同時(shí)離異共晶的奧氏體枝晶也在形核長(zhǎng)大；在奧氏體枝晶下沉及熔體對(duì)流等因素影響下，漂浮石墨球與奧氏體發(fā)生碰撞并相互結(jié)合成一個(gè)共晶凝固單元，隨后奧氏體枝晶呈圓整化生長(zhǎng)，碳原子通過(guò)奧氏體殼向石墨擴(kuò)散，石墨球顯著長(zhǎng)大，最后共晶晶粒相遇，晶粒間殘余液相全部變?yōu)楣滔?，凝固結(jié)束。奧氏體外殼的封閉過(guò)程主要可分為快速封閉型和緩慢封閉型兩種類(lèi)型。快速封閉型過(guò)程是指奧氏體在球墨界面貧碳區(qū)快速形核并形成封閉奧氏體殼的過(guò)程。由于球墨與奧氏體界面近似均勻，原子遷移速度基本相同，碳向球體表面均衡擴(kuò)散，從而保持了石墨的球狀生長(zhǎng)狀態(tài)。緩慢封閉型過(guò)程是指由于冷卻慢、缺乏核心等原因延緩了球墨外圍奧氏體殼的封閉時(shí)間，引起局部缺口的形成，從而形成不規(guī)則鐵素體的過(guò)程；此時(shí)一部分石墨球在一段時(shí)間內(nèi)保持與熔液接觸，碳原子易向球墨擴(kuò)散，導(dǎo)致球墨不均勻生長(zhǎng)；奧氏體封閉越慢，石墨畸變?cè)絿?yán)重。

 

03結(jié)論

 

     (1) 在拉伸載荷作用下，QT400-18L鐵素體球墨鑄鐵中石墨球間的間距對(duì)裂紋萌生與擴(kuò)展起重要作用；當(dāng)石墨球均勻分布且間距大于石墨球平均直徑時(shí)，石墨球與基體界面脫離，且石墨球內(nèi)部產(chǎn)生徑向裂紋或貫穿整個(gè)石墨的裂紋；當(dāng)石墨球聚集分布且間距小于石墨平均直徑時(shí)，石墨球與基體之間裂紋連接成為尺寸較大的裂紋。

 

     (2) 在沖擊載荷作用下，石墨球的分布對(duì)石墨與基體界面開(kāi)裂形貌影響較小，石墨形狀對(duì)沖擊斷裂機(jī)制具有重要影響。除石墨球/基體界面脫離外，石墨“洋蔥狀”開(kāi)裂及石墨內(nèi)部徑向開(kāi)裂是石墨損傷的兩種主要模式。

 

     (3) 在拉伸和沖擊載荷作用下不規(guī)則石墨球均存在明顯層狀撕裂現(xiàn)象，一些內(nèi)部裂紋延伸至鐵素體基體；石墨球圓整度與其周?chē)F素體晶粒分布有關(guān)，快速封閉的奧氏體殼可保持石墨球圓整且周?chē)F素體晶粒均勻分布，而慢封閉的奧氏體殼導(dǎo)致球墨不均勻生長(zhǎng)，石墨畸變，周?chē)F素體晶粒分布不均勻。