論球墨鑄鐵拉伸斷口形貌與力學性能的關系

【摘 要】 本文試圖通過對球墨鑄鐵拉伸斷口的宏觀與微觀分析，摸索出與之相對應的力學性能的某些規律，并且在此基礎上應用常規的檢測，及時找出生產中不穩定的工藝因素，進一步穩定與提高產品質量。

【關鍵詞】 球墨鑄鐵 拉伸斷口形貌 力學性能

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2015.04.005

球墨鑄鐵拉伸斷口上，不同類型的黑灰區域經常出現。正常情況下，QT700-2的試樣斷口常為銀灰色，而QT450-10的斷口在中心部位有黑灰色區域。還有些其它的黑灰區經常因不同的工藝因素偏差而出現。本文試圖通過對斷口的宏觀與微觀分析，摸索出與之相對應的力學性能的某些規律，并且在此基礎上應用常規的檢測，及時找出生產中不穩定的工藝因素，進一步穩定與提高產品質量。

1 正常斷口分析

1.1 QT450-10的拉伸斷口

不同于其它金屬材料，宏觀上各種鑄鐵拉伸斷口為正斷型，即使鑄態高韌性的QT450-10也不例外。QT450-10斷口在宏觀上的顏色差異，可分銀灰色區和黑灰色區。而黑灰區多在試樣心部。斷口的微觀形貌經電鏡觀察，黑灰區有明顯的塑變滑移呈韌窩狀。而銀灰區則為解理斷裂。在銀灰區與黑灰區取樣作對比分析：球化分級、石墨大小分級、珠光體數量分級，以及基體兩者并沒有發現明顯的區別。通常生產的QT450-10拉伸試樣只要在塑性指標伸長率合格的情況下，抗拉強度指標均可滿足要求。因此，在球化分級不大于1-2級的前提下，低硅時的鐵素體都控制在80%左右。正常情況下，試樣被拉伸時，宏觀上表現出的明顯的塑性變形，是依賴于基體中的鐵素體沿滑移面所產生的大量滑移來實現。這時的球墨孔洞在切應力作用下被拉長、聚集、鏈接并產生了微小的裂紋，繼而形成了一個剪切形斷裂區。隨著剪裂區的形成，這時的試樣由于已產生了大量塑變滑移的鐵素體能夠使裂變尖端應力松弛的能力也被減弱，因此，在裂紋尖端造成過大的應力集中，即使在外力低于斷裂強度的情況下，裂紋擴展速度也突然加快，并且沿某些晶面劈開，形成了以解理斷裂形式開裂的脆裂區，即宏觀上我們看到的銀灰區。在剪切斷裂區，由于存在著大量的韌窩及裸露于基體上的球墨，使光的反射作用降低，即形成宏觀斷口上的黑灰區。當拉伸試樣表面光滑（無加工缺陷），并在不偏載的情況下，其黑灰區一般呈現于試樣心部，這與應力狀態有關。黑灰區的面積與試樣伸長率值成正比，伸長率值在20%左右時，試樣斷口中的黑灰區約占70%～80%。

1.2 QT700-2拉伸斷口

QT700-2斷口宏觀上為銀灰色，微觀上出裸露較小的一些完整石墨外，主要是大量珠光體被拉斷后的形貌。與QT450-10不同，QT700-2在球化等級不大于1-2級的前提下，較高的強度指標（Rm>700MPa）的獲得，是依賴于基體中珠光體所占的相對量。當珠光體的相對量為≥80%左右時，雖然基體組織中的牛眼狀鐵素體在外力作用下，也產生一定的滑移，但這種滑移受到珠光體的牽制，其斷裂行為將以珠光體斷裂方式為主。珠光體在斷裂前也將產生少量的塑性變形，一般是指鐵素體片的變形。當應力達到鐵素體與珠光體片的相界面時，由于位錯塞積時相界面上形成了很大的微觀應力場。而滲碳體是一種硬脆相，當應力超過一定限度時，它就會被折斷形成裂紋，滲碳體裂紋引起尖銳的銳口作用，把應力傳至相鄰的鐵素體片上，使之產生少量滑移并通過鐵素體片，又到達新的滲碳體片相界層。于是周而復始，裂紋便不斷擴展，當應力達到一定值，裂紋達到一定長度后，便急劇擴展造成脆斷。由于珠光體的斷裂，是沿鐵素體和滲碳體片內部的某些晶面劈開，加之球墨在斷口上存在的方向是：有的剝落后殘留下較完整的空穴，有的則較完整的留在斷口上，但裸露于斷面上的較少，因此其斷口對光的反射較強，宏觀上呈現出銀灰色。

2 非正常斷口分析

（1）由于球化不良或球化衰退的影響在斷口上出現的黑灰區。這類斷口在各類牌號球鐵拉伸試樣中都時有所見。宏觀上當輕微時的黑灰區以麻點的形式分布在斷口中，嚴重時則連接成片，幾乎將銀灰區覆蓋，甚至產生與灰口鐵類似的斷口。微觀特征表現的銀灰色為金屬基體，黑灰色區為大量厚片狀石墨。斷口上出現這類黑灰區時，試棒的韌度、塑性都大為降低，性能不合格的情況下，通過熱處理也不能挽救。

（2）由于縮松的影響在斷口上出現的黑灰區，宏觀上這類斷口除了銀灰區外，還有一個呈團絮狀的黑灰區。經電鏡觀察，銀灰區為斷裂區，黑灰區為大量樹枝晶的自由表面，這是較典型的縮松缺陷，主要產生在二次收縮過程中。另外高韌性球鐵出現這類斷口時，微觀狀態下的韌斷區已不存在，銀灰區為解理斷裂。這種缺陷的形成原因比較復雜。

（3）由于石墨漂浮的影響在斷口出現的黑灰區。這類試樣多為高韌性球鐵，碳當量一般都較高，厚壁件冷卻速度又較慢，易產生石墨漂浮。在鑄件有此缺陷的部位取拉伸試樣，斷口的宏觀形貌不但試樣邊緣的黑灰區顏色較深，而且與銀灰區的界限也較明顯，經電鏡觀察黑灰區有大量破碎石墨。銀灰區為解理斷裂。

（4）出現反白口時拉伸試樣的斷口。宏觀呈銀灰色的斷口上分布著許多白亮塊。為大量針狀滲碳體、萊氏體以及珠光體被拉斷后的形貌。基體組織中有大量針狀滲碳體及萊氏體存在。必然使試樣的強度和韌性降低。不同于前面幾種鑄造缺陷所形成的斷口情況是：在球化等級尚好的情況下，拉伸試樣出現反白口時，可通過熱處理來對鑄件進行挽救。

3 結論

（1）QT450-10拉伸斷口，宏觀上存在銀灰區和黑灰區。在微觀狀態下的斷裂方式，是由剪切斷裂轉為解理斷裂，其中黑灰區為剪切斷裂區。

（2）QT700-2拉伸試樣斷口，宏觀上是銀灰區。微觀狀態是大量珠光體被拉斷后的形貌，并有裸露的少量球墨，偶爾也有少量黑灰區存在，其微觀狀態相似QT450-10的剪切斷裂區。

（3）由于球化衰退縮松、石墨漂浮、夾渣的影響，可在拉伸試樣斷口上出現不同類型的黑灰區，嚴重的降低材料的性能。為此，生產中不斷要經常對拉伸試樣和同包次的鍥形試塊進行斷口檢驗，以便及時發現由于石墨漂浮、夾渣等鑄造缺陷引起的質量隱患。

作者簡介

鄭秀坤，畢業于遼寧廣播電視大學，長期從事產品質量檢驗、產品質量司法鑒定工作。《CY4102-CE4A系列柴油機》獲省級科學技術研究成果；《生物降解液態地膜的研制與應用》獲市級科學技術研究成果一等獎。

（責任編輯：張曉明）