QT500-7球墨鑄鐵拉伸試樣斷口異常分析

方 元

(蕪湖伯特利汽車安全系統股份有限公司,蕪湖241000)

球墨鑄鐵是一種經過球化處理和孕育處理后組織中石墨呈球狀分布的灰鑄鐵。球墨鑄鐵不僅保留了灰鑄鐵良好的鑄造性、耐磨性、減振性、低缺口敏感性、易切削加工性,同時還具備較高的強度和塑韌性。目前,球墨鑄鐵廣泛應用于汽車、鑄管、機床等領域,其產量僅次于普通灰鑄鐵。隨著當前環境污染和能源消耗等問題日趨嚴重,輕量化和綠色環保已成為汽車材料的發展趨勢。球墨鑄鐵的密度比鋼材的約小10%,在滿足材料使用性能的前提下,球墨鑄鐵可用來代替部分鋼材用于汽車零部件的制造,如制動鉗、支架和轉向節等汽車制動器總成零部件。這不僅可以助力汽車輕量化,還能降低汽車制造材料的成本。

某批QT500-7球墨鑄鐵拉伸試樣在進行拉伸試驗時,拉伸試樣斷裂后其斷面存在部分顏色較深的異常區。為查明拉伸試樣斷面存在異常的原因,筆者對其進行了理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對該拉伸試樣的宏觀形貌進行觀察,由圖1可見,拉伸試樣為規格為φ14 mm 的棒狀試樣,斷裂處位于拉伸試樣的中間部位。拉伸試樣斷口無明顯的塑性變形,呈現脆性斷裂特征,斷面存在顏色較深的異常區,如圖2所示。

1.2 化學成分分析

分別在拉伸試樣斷口正常區和異常區取樣,使用Max X 型電火花直讀光譜儀進行化學成分分析。由表1可以看出,拉伸試樣斷口正常區和異常區的化學成分均符合企業技術文件的要求,且正常區域的化學成分和異常區域的較接近。

圖1 拉伸試樣的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of tensile specimen

圖2 拉伸試樣斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of tensile specimen fracture

1.3 金相檢驗

按照GB/T 13298－2015《金屬顯微組織檢驗方法》,分別在拉伸試樣斷口的正常區和異常區取樣,試樣經打磨、拋光,采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后,采用Axio vert.A1型金相顯微鏡觀察顯微組織形貌。由圖3 可見,正常區顯微組織中有球狀石墨和團狀石墨,石墨的球化效果較好,基體由片狀珠光體和牛眼狀鐵素體及少量的碳化物組成;異常區顯微組織中除了有球狀石墨和團狀石墨之外,還有較多的蠕蟲狀石墨,石墨球化效果較差,基體為片狀珠光體和沿著蠕蟲狀石墨周圍分布的鐵素體。根據GB/T 9441－2009《球墨鑄鐵金相檢驗》,分別對拉伸試樣斷口正常區和異常區進行石墨球化率、石墨尺寸和珠光體數量評級,結果如表2 所示。可見正常區石墨球化率、石墨尺寸均符合企業技術文件要求,正常區石墨球化率較高,珠光體數量也較多;異常區石墨球化率不符合企業技術文件要求。

表1 拉伸試樣不同部位的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of different parts of tensile specimen（mass fraction） %

表2 拉伸試樣的金相評級結果Tab.2 Metallographic grading results of tensile specimen

1.4 力學性能測試

按照標準GB/T 231.1－2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分:試驗部分》的規定,分別從拉伸試樣斷口正常區和異常區取樣,采用X HB-3000＋CCD 型布氏硬度計進行布氏硬度測試,載荷為7350 N,試驗壓頭的直徑為5 mm,保持時間為15 s,測試溫度為23 ℃。在相同部位測試2次,結果如表3所示?？梢娎煸嚇訑嗫诋惓^布氏硬度實測平均值符合企業技術文件的要求(170～230 HBW),斷口正常區布氏硬度實測平均值稍高于企業技術文件的要求(考慮到拉伸試樣斷裂后會產生塑性變形和形變強化造成硬度測試值升高,不能真實反映材料的硬度,故該測試結果僅供參考。)

將斷口異常和斷口正常的拉伸試樣分別編號為A 和B,根據GB/T 228.1－2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分 室溫試驗方法》,采用SHT4305型液壓式拉伸試驗機分別對拉伸試樣A 和B 進行室溫拉伸試驗,結果如表4所示?？梢娎煸嚇覣 和B的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率均滿足企業技術文件要求,但斷口異常拉伸試樣的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率均比斷口正常拉伸試樣的低。

2 分析與討論

球墨鑄鐵拉伸試樣斷口無明顯的塑性變形,具有脆性斷裂的特征。由化學成分分析結果可知,拉伸試樣斷口正常區和異常區化學成分均符合企業技術文件的要求。該拉伸試樣材料屬于過共晶鑄鐵,有利于石墨化。鑄造過程中材料中石墨析出后進行球化和孕育處理,可使鑄態組織中形成一定數量球狀或團狀石墨及少量碳化物。

圖3 拉伸試樣斷口不同區域的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of different regions of tensile specimen fracture：a）graphite in normal area；b）matrix in normal area；c）graphite in abnormal area；d）matrix in abnormal area

表3 拉伸試樣不同部位布氏硬度測試結果Tab.3 Brinell hardness test results of different parts of tensile specimen HBW

表4 拉伸試樣不同部位的室溫拉伸試驗結果Tab.4 Tensile test results of different parts of tensile specimen at room temperature

由金相檢驗結果可知,拉伸試樣斷口異常區有大量的蠕蟲狀石墨,嚴重降低該區域的石墨球化率,而石墨球化率是影響球墨鑄鐵力學性能的重要因素之一。鑄鐵中石墨形狀通常有六種,分別為片狀、蟹狀、蠕蟲狀、團絮狀、團狀和球狀,不同形狀的石墨對基體的割裂程度不同,其中球狀石墨對基體力學性能降低幅度最小,片狀石墨對基體力學性能的降低幅度最大。而蠕蟲狀石墨對基體力學性能的降低幅度比球狀或團狀的要大,且蠕蟲狀石墨產生應力集中的傾向也高于球狀石墨的,從而導致材料力學性能降低。由力學性能試驗結果可知,斷口異常拉伸試樣的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率均比斷口正常拉伸試樣的低,可見斷口異常區的存在降低了材料的力學性能。

3 結論及建議

QT500-7球墨鑄鐵鑄造過程中局部石墨球化不良或球化衰退造成了該區域顯微組織中有大量的蠕蟲狀石墨,導致球墨鑄鐵拉伸試樣斷口異常,這嚴重降低了球墨鑄鐵材料的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率等力學性能。

為避免球墨鑄鐵拉伸試樣出現球化不良,應嚴格地控制鐵液的成分,選擇合適的碳當量,控制硫、磷含量以及鎂等球化元素的殘余量;加入足夠的球化劑并加強孕育處理;選擇合理的處理溫度和澆注溫度,避免球化劑的燒損和氧化。