不同的低频高温负载周期灰铸铁的强度、微观结构和化
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不同的低频高温负载周期灰铸铁的强度、微观结构和化 学钢锭模 兰鹏 张家泉 中国，北京科技大学 国家 先进的冶金 重点实验室 , 北京 100083 中国，北京科技大学 冶金与生态工程学院，北京 100083 文章信息 摘要 文章历史 一种灰铸铁生产大钢锭模具已经通过热模拟分析实验中 ， 抗张强度 ， 基体组织，断口形貌和化 2013 年 5 月 30 收到 学后不同低频高温负荷与氧化气氛中的循环进行了研究。该大型模具的疲劳裂纹微观和宏观的 2013 年 8 月 10 接受 机制进行了讨论。由于低的时期频率高的温度预处理的增加，在灰口铁的碳含量减少，导致在 2013 年 8 月 20 提供在线 珠光 体 分率的降低，同时拉伸强度 。 总之一种新的石墨片和小尺寸出现在基质加热和冷却处理 关键词： 后，导致石墨曝光的崛起率在低频高温周期性载荷 作用下的断裂。虽然脱碳率与铁素体基体 拉伸强度 中的样品是远低于与珠光体基体，碳含量对拉伸强度的影响力，诱导下晶粒粗化和粮食界弱化 。 微观结构 因此，可行的措施，延长模具的使用寿命一直建议。 断口形貌 2013爱思唯尔科技有限公司 保留所有权利 化学 1、 简介 虽然灰铸铁已 经 在生产大型钢锭 模 被使用数十年来，不满意的是 使用寿命以及 裂纹机理还不太清楚。它是众所周知的裂纹大灰铸铁模具的失败密切相关的高温度的拉伸强度和抗热疲劳性。乳木果关于用盘式样品 进行热疲劳试验鳍的一端，模拟制动鼓的使用情况。根据实验结果，石墨形态是影响珠光体灰铸铁的裂缝，而主要因素基质的性质几乎没有影响。贡德拉克研究了的约束杆型试样的疲劳性能 9 铸铁，并指出了热疲劳性，关联良好的拉伸强度在高温下是 重要的 依赖于高功率 阻力蠕变。勒里希从他获得的基本理解实验。热疲劳被认为是循环的结果应力在灰铸铁，通过扩张的约束产生的和热周期性载荷作用下收缩。提出了简要回顾对金属包括铸铁疲劳研究，把一个特别强调的塑性功在疲劳裂纹扩展的 决定 率的作用。 展了热疲劳性能研究片状石墨铸铁的盘状试样的各种由全自动热疲劳试验化学成分机。优秀的耐疲劳性，观察高碳铁与合金化钼，铬和铜的元素，从井的热传导性能有利。在其下面的研究 ，一个数学模型来预测灰色铁的疲劳寿命被开发，并且其拉伸强度和弹性弹性模量在高温下进行了分析。相比，热疲劳灰韧性属性和蠕墨铸铁通过实验室和原位实验。微观结构和服务行为之间的关系被揭露 ， 做实验的热疲劳不同铸铁的性能。较高的热疲劳电阻，观察在铸铁具有较高的硬度和弹性模量。有关铸铁，最近很多报道注意力都放到了合金化处理，铸造控制和微观结构的优化 。 关 于热疲劳抗力以前的实验研究 灰铸铁几乎在高频下的低温实验条件，所以这些结论是不适合这 预防的 情况。笔者建立了有限元数值模型耦合热，流动和热应力计算讨论倾向和大型纵向和地图开裂的可能性灰铸铁模具的另一篇文章中这样 记录 ，但机制那尚未透露。为了最好的礼物作者所知，除力学性能的关系， 矩阵 阶段，骨折的灰色形态和化学它的使用条件下铁模仍然不是很清楚，特别是在升高的温度。在本文中，热大型钢锭模的全程服务的历史已经被考虑在内，而在低灰铸铁的热疲劳抗力频率高的温度周期性（ 载与氧化大气层进行了分析。热疲劳 机制灰铸铁模具已经显现出来。实验程序和研究框架示于图 1。 2、实验 一个 600 毫米几何铸造 的 ， 200 毫米最初产生于模具制造车间， 从30 铸块大小 30 毫米 30 毫米 ， 220 毫米 被切断了。制备以下这些热块模拟实验。高温拉伸试样尺寸 米 100 毫米 是从预处理块制成， 而对于每个室温样品的均匀变形 区大小 0 设计。 夏尔马指出，模具的热面所经历的中钢铸锭最极端的热冲击。沉吴研究发现疲劳热面裂缝很受欢迎的原因导致大灰铸铁模具的一些失败后重复服务。用 ，其主要参数列于表 1。模具的热历史已经数字根据笔者的前期工作通过 模拟。热点的模具内表面上的最高温度据观察为 1073 K 和它历时 1 小时，然后衰减。该铸锭剥离出来完全凝固后而模具温度下降到低于 973 K 在连续铸锭生产过程中，模具会被重新排列为连续钢在 373 度以下的空气或水后铸造冷却。灰铸铁模具经历 荷与氧化条件在其实 际的服务。 为了以实际负载考虑，热 处理进行由马弗炉在空气气氛下。根据温度的实验方案作出变异的热点在模具内面的，如图 3。在目前的工作， 50 个循环热预处理 进行了提前提供样本与各 热历史对下列机械试验和显微组织观察。 根据 3和 拉伸试验的温度被确定为 293，473， 673， 873 分别与 073 K。热机械模拟器是 格莱宝 试验 的试样即按规定的温度下进行 3 分钟，拉伸试验，以 2 毫米的速率进行每分钟。为了保存靠近断裂的微观结构 ， 淬火一旦标本破裂被处决。详细信息这个实验说明了在作者的另在同一期杂志的工作。 根据 近石墨形态 裂缝中的标本进行观察 学显微镜和 描电子显微镜。得到的基体组织后，用 4硝酸酒精腐蚀。元素测定 进行了调查与 援助。石墨 并且观察到加热和冷却过程中基质变化 通过 温激光共聚焦 扫描显微镜（ a 的真空 条件下。将试样以每从室温分钟 10 K 的速率加热 温度到 1173 K， 并保持在该温度下保温 10 分钟 ， 然后冷却至室温，以每分钟 10 K 的速度为好。 拉伸试验试样在不同的骨折形态下观察到 的 描电子显微镜超声波后清洁的。 该钻屑是从拉伸试验试样附近的断裂，具有不同的热经历。碳和硅内容通过化学方法在国家分析测定中心钢铁在中国，按 6 199727。 3、 结果与讨论 人指出的热疲劳特性灰口铁的增加而拉伸强度增加。表 2 显示了不同的预处理后，在拉伸强度结果不同的温度。在任何给定温度下，拉伸强度降低与治疗前同期增长。最高后强度不会出现在铸态试样，但在这种预处理的一个周期。转折点的抗拉强度显示为 载的周期达到 20， 这是更明显在低温拉伸试验温度。在更高温度下的强度是不敏感的预处理经验，由于完整的相变和足够的溶质扩散。该在 293 K 的拉伸强度总是最大下给出预处理的周期。但在 673 K 时的值相比，在从 1 到 30 的预处理周期的范围更高的在 473K 。这是不在金属材料很常见的，它已在所讨论作者的其他作品完全专注于力学行为灰铸铁。 不同的循环后的裂缝附近的石墨 形态 载在各种温度下都显示在图4，它可以是 可见片状石墨几乎是在 A 型所有的标本。厚而在铸态试样广泛石墨片严重破坏了基体的连续性和均匀性。这解释了为什么裂缝很容易启动和扩大在全新的无模具退火或时效处理。 一种絮状带围绕石墨薄片观察 荷下标本。两者的形状和絮状的颜色是类似的小石墨。为了得到一个准确的 该絮状，扫描电镜的形成机理的认识和 采用，以获得高倍率的形态，如图 5 所示。事实上，这些缺陷主要是硅，锰和铁的氧化物，如在点 1， 2 和 3 的矩阵是 有小的氧化几乎铁素体，如图4 点，它可以推断出片状石墨是由信道的外氧 原子进入基质为 铸铁。该絮状带 在宽度约 10明，导致抗拉强度的降低实力，因为它们表现为微孔石墨在基体中。另外，石墨片不总是在相同的大小在 所有的温度。他们是在较高的温度一点点薄由于碳显示在奥氏体基 体溶解度较大。 不同的周期后断裂附近的微观结构矩阵 预处理在不同的拉伸温度下，给出在图 6，结果表明，珠光体 薄板 在铸态试样都不是很不够精细。一个约 50 流明的宽度大约石墨片层 含束缚 晶铁素体的奥氏体之前观察 转型。对于经过热预处理的一个周期的标本的微观结构得到了明显改善。这导致了最有利的机械性能如所提 以上。应当注意到，这个热历史仅仅是一个受欢迎 正火处理对钢铁产品。因此 ， 一个合理的正火处理是有很大好处的 铸态模具。 在基质中的珠光体馏分的循环减小 荷增加。这与前面的结论，在以前的作品。 后珠光体消失在标本 30 热预处理的周期。这就是为什么一个转折点出现 当在预处理期间等于抗拉强度 沿晶粒边界 20。二次渗碳体析出与奥氏体晶粒的粗大化后所观察到的。 石墨和基体形貌由 示在图 7， 在试样的石墨薄片变成加热后薄 和冷却处理，由于高的碳的溶解度和 足够的能量扩散在高温下。一些石墨薄片新近出现在样品中的预定处理后，如 I 和 所示的区域 7D。它们是小得多的并且比原来的短。此外，奥氏体晶粒边界 试样保持在 1173 K 下 10 分钟后 。 他们应该是沿着晶粒析出的二次渗碳边界。这种现象 如 图 6。 断口形貌在 873 K 个不同 周期后 载荷示于图 8，在拉伸载荷，所有标本的行为明显的解理断裂。石墨中的断裂的形状是 观察长条，而矩阵的形态就像是小酒窝。在共晶电池，石墨片就像花瓣，其中基体上分布。 石墨片是在基体空隙，由于弱强度。裂缝是之前启动和扩大或 /和他们一起在拉伸载荷作用。因此，每个石墨 在灰口铁片可以是裂纹 该最终骨折的开发。应当注意到，石墨曝光率变大的 荷的增加周期，而基质裂解凹坑变小。据推断的 矩阵的抗裂性逐渐变弱，受地层小和短的石墨薄片。 人在实验数据 11 给出了回归分析并且发现，珠光体基体中的体积分数和灰铸铁的抗拉强度是成反 比。 这两种元素含量进行了测定我们实验。结果列于表 3，结果表明在标本脱碳载，根据氧化气氛很严肃，而 脱硅酸作用 并不明显。这是因为从 荷作用下的特殊预处理。最戏剧性的滴在碳含量为20 和 30 个循环的热预处理方法之间，其中珠光体比例的显着下降将所得的拉伸强度下降已经被观察到。此外，一个加速度脱碳阶段已发现前基质转化为铁素体，在这之后的碳含量下降速度要慢得多。的解释是成长围绕石墨片絮状乐队防止进一步氧化和脱碳在铁素体基体的铸铁。 它 的 影响，碳溶质对当前珠光体的形成。如果发生珠光体转变，上坡 扩散必须渗碳体的形成过程中发生 含有 重量）的碳。当平均碳含量 在试样减少到低于 重量），由于氧化，更扩散的精力和时间需要。因此，珠光体分率在基质中减小 与热预处理周期增加。这是很好的 与观察的显微组织如图6。 拉伸 强度 如灰口铸铁的碳含量的函数如图 9 所示。分段拉伸之间的拟合关系强度（ 碳含量（ 于表 4，在我们的实验中，抗张强度正比于碳内容，对面李的结果。这应该被解释在李的实验，这将导致在矩阵中的不同部分珠光体硅含量的变化。这是很容易由山坡比较，拉伸强度变化幅度拟合线。（重量）的方程的系数超过 10 倍以上这一点。中的碳含量示 于铁素体基体的抗拉强度更显著作用，由于二次渗碳体析出和晶粒粗化，与珠光体基体的比较。这个匹配良好与微结构，和强度的变化。分布在灰铸铁的径向方向上碳的模具已经研究江和 热面下方的脱碳层是约 10 毫米。在我们的实验情况下，氧化深度从试样表面到中心，为 15 毫米。 哈塞尔曼提出了一种抗热疲劳性能指标 铸铁如下： （ 1） 李某和陈某 11提出了一个类似的标准： （ 2） 其中 t 是泊松比， k 为热导率，一个是热膨胀系数， E ;是 扬斯 模块， 抗拉强度， 布氏硬度值， 断裂韧性值。灰口铸铁具有不同的矩阵，的 最大的 变化热 参数 是拉伸强度，比其他涉及的两个标准 ，特别是在低温下。珠光体灰铸铁具有较高的指数 R 展品良好的抗热疲劳性能。因此，在粗略估计的热疲劳特性可以通过以下方式评估和预测其拉伸强度灰铸铁。根据实验结果，拉伸强度和 微观结构明显地受先前的热经历，这应该采取模具的使用寿命具有重要的影响。在作为铸试样的穷人拉伸性能都与它的非均匀微观结构。这应该是最重要的原因是铸造模具，无明显的铸造和设计缺陷，容易出现的第一个服务过程 中产生裂纹。的拉伸强度 载中的一个周期后的标本可以通过提高最大的 30相比，为投状态。这应该是相同的效果，对于钢的设备以提高热处理力学性能 。出于这样的考虑，合理的正火处理应采用铸模具避免诱导基质弱同质早龄开裂。 原始矩阵通常是珠光体大型钢锭模灰铸铁制成的，如图 10A 所示。作为周期负荷的增加，氧化和脱碳得到严重，含有硅，锰和铁的氧化物絮状波段扩展逐渐增强。当碳含量低于 （重量）以下，少珠光体被发现在基体中，如示于图 10B 。如果模具经验更 载，二次渗碳体析出 和晶粒粗化会更加明显观察到，如图所示 10C。此外，石墨曝光的增加率意味着抗裂性的矩阵中的减少。甚至在相同的热冲击或外部应力，裂缝可以发起和容易传播 石墨 薄片之间，如图 10D 所示。锭模的热疲劳特性和拉伸强度灰口铸铁是密切相关的石墨形态，珠光体分率和谷物大小在微观层面，以及受温度影响，氧化条件及化学组成的宏观。 为求使用寿命长，因此建议大锭 模具应提前钢前进行包衣或氩气吹扫 铸造。短暂停留在模具锭建议 和跳闸退出运行，应立即 生效 为 钢完全凝固。 4、结论 其拉伸强度，基体组织，断口形貌 和各种定期预处理后的灰口铸铁的化学已被研究。主要结论如下： （ 1）石墨薄片是 通过 由外界氧气原子进入基质 的渠道。已被观察到 围绕石墨絮状带约 10明的宽度含有硅，锰和铁 的 50 次循环后 载的氧化物。 （ 2）脱碳率 载下以恒定与空气的气氛。脱碳的加速阶段已发现的矩阵转化为铁素体之前 ， 碳含量降低速度要慢得多。 之后 当碳含量低于 重量），小珠光体在矩阵会被发现。 （ 3）一些 新出现的 小而短的石墨片 是 加热和冷却的预处理后的标本。由于荷增加周期， 次生的 渗碳 沉淀素 和谷物粗得明显 ，而石墨暴光率变大。 （ 4）铸态试样的穷人拉伸性能是关系到其不均匀的微观结构。这应该是为什么作为铸造模具，无明显的铸造和设计缺陷，很容易出现了第一次服务过程中产生裂纹 的原因 。一个合理的正火处理应作为铸造模具 而 采用为了避免早期年龄开裂引起的同质性弱矩阵。 参考文献 1 谢伊 1978 ; 86:232 贡德拉克 1978 ; 86:553 贡德拉克 1979 ; 87:5514 勒里希 1978 ; 86:755 金属跨 1980 年 ; 11:3656 委会 ,雷迪医生 数铸铁 料科学 1986; 21:44037 委会 ,雷迪医生 珠光体片的耐热疲劳性 ,石墨铁杆 疲劳 1987; 9:258 委会 ,雷迪医生 1987; 95:2179 委会 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