Mechanical Characterization of Dual Phase Austempered Ductile Iron(1).doc

双相奥贝球铁的机械性能摘要研究和比较基体中含有20%，50%和70的奥氏体的双相奥贝球铁和具有完全的铁素体基体球墨铸铁和奥贝球铁点阵结构的奥贝球体的机械性能和疲劳强度。结果表明，与完全为铁素体基体的球墨铸铁相比，随着奥氏体增加，抗拉强度，屈服应力，韧性和抗疲劳性能显着改善。虽然其延伸率有所下降，然而所有的双相等淬球铁直到失效的疲劳强度均满足ASTM(美国材料试验协会)标准中的完全铁素体球铁的最小值。含有奥氏体20的样本（位于最后凝固区）所有的拉伸性能增加了20%和疲劳强度增加约25。实际上，双相等淬球铁可以调调节基体中自由铁素体和奥氏体相对百分比来满足广泛的机械性能，进而取代其它的球铁和材料，用于安全零部件。关键词：球墨铸铁;两相奥贝球体；显微组织；耐力极限;断裂韧性，机械性能。1 简介 在过去几十年，球墨铸铁的生产持续增长。如今球铁直接用于高机械性能零部件的制造，在替代铸刚和锻造钢中大量应用。通过对其微观结构和组织的调整从而大范围的调整球铁的力学性能以用来做替代材料。事实上，可采用热处理的方法来适当调整最终的微观结构;在工业上通过几个（热循环正火，铁素体化退火，淬火及回火，等温淬火）来获得不同的基体（完全铁素体，铁素体和珠光体，完全珠光体，马氏体和奥氏体）1-3）.尽管如此，这些球铁通常不会用在对机械强度、伸长及韧性等综合性能要求较高的零件上。在这种情况下，钢仍然是第一选择。 然而，近年来，一种新型的球铁即双相等温淬火球墨铸铁，机械性能已经有了明显改善。这种改善主要由这种新型组织的特点（即由不同数量的其它晶体结构或自由的铁素体和奥氏体组成）决定的。因此，现在的重点是通过上述球铁的微观混合组织（它结合了奥氏体相的高强度和韧性与 铁素体相的高延伸率性能）获得表面性能高的球铁零件。据文献可知，获得双相奥贝球铁的可能的一种方式，是在铁碳硅图双相区间的部分奥氏体化的温度区间进行热处理，然后盐浴进行等温淬火4 - 7），适当的热处理可控制显微组织（自由铁素体和奥氏体的数量形态和分布），从而大范围的调整材料的机械性能。尽管这种新型球铁出现引起了人们的关注，一些研究已经进行以确定其力学的影响因素。调查结果表明,双相等淬球铁显微结构与其抗拉强度和延伸率存在稳定的关系4-8）。沿着这些思路，相比完全铁素体或完全奥氏体结构的球铁，其断裂韧性试验便有了重要的意义4）。事实上，工业上的许多机械部件需要承受在高温循环载荷应力;另一个特性是其疲劳强度的分析。目前还只是少数学者都有助于阐明这种新材料的疲劳特性。Verdu等9）主要是用热循环来调节封闭的石墨球和不同数量的奥氏体作为一种来提高机械和疲劳性能的方法。这些作者试图证明由铁素体及周围是石墨球的双相球铁具有较高的抗拉强度，从而提高屈服强度。他们发现，随着混合体积分数的增加，其屈服强度，抗拉强度，硬度增加，。尤其是，微观组成为80%铁素体和20的奥氏体相比全铁素体基体球铁的疲劳强度提高了25%9）。考虑到双相等淬球铁零部件生产企业和用户需要量化其机械性能的好坏来作为设计数据,这项工作的主要目的是提供了一种完整的含有不同比例的素体的双相等温淬火球铁的特征的参考。这些研究包括在疲劳性能的评价与其他机械性能(抗拉强度、屈服应力、延伸和断裂韧度)。包括比较分析双相等淬球铁和基体为全部的铁素体及全为奥氏体的球铁的比较。2实验2.1。熔体使用中等频率在工业铸造厂感应炉(Megafund有限公司、阿根廷)，准备熔炼球铁。0.90%的铜以奥氏体化。熔体倒入25毫米厚的Y块形砂模。在Y -块中切断圆形和方形样本和用于制备试样。2.2。热处理所有样本在用于实验之前需要进行退火热处理，周期包括：（一）900 C奥氏体化3小时，（二）炉内冷却至740,，（三）在740下保温10小时，（四）炉内冷却至室温。两相区间的熔体可以通过先前的理论基础获得.4，5）较低的临界温度(Lct)被定义为770C,因为在铁素体奥氏体的转变(淬火)后开始马氏体这样的温度。相应的，上临界温度（UCT）是860 C，在该温度下已获得超过98的马氏体基体的淬火样品。三种不同的双相等淬球铁的微观结构含不同比例的铁素体和奥氏体，可通过铁素体样本部分奥氏体化的热处理获得，在炉内的温度双相温度区间800，820 C和835 C保温一小时，随后由在350 C下等温淬火盐浴90分钟。 双相等淬球铁的铁素体和奥氏体的比例关系（体积百分数）可用光学显微镜和Pro Plus图像软件获得，,证明实验与理论描述的一致性.10) 每个样品至少测定五次求平均值。此时忽略石墨量在成分上的影响。此外基体为完全铁素体和充分奥氏体的等淬球铁样品也被用来作为对照材料，标准等淬球铁样本可通过完全奥氏体化阶段（910 C的60分钟， 350 C的90分钟等温淬火）的热处理获得。奥氏体化处理的退火使用电炉进行，用500公斤盐浴等温淬火。2.3。疲劳和拉伸试验进行了疲劳试验符合ASTM(美国材料试验协会)E466-96标准。图1显示了计划使用样本。样品尺寸为：L=20 mm, R=56 mm, D=7 mm.。使用四组样品：一）800 C奥氏体化的双相等淬球铁，二）835 C奥氏体化的双相等淬球铁，三）完全铁素体化的球铁IV）标准等淬球铁。使用伺服液压 万能试验机（“MTS的”810）与 10 000公斤力的负载能力661.20F.03的重传感器进行高周疲劳试验。所有的测试都在应力比R=0.1 (最小应力/最大应力）和室温下进行。样本运行直至断裂为止，循环周期数为10000000次。样本”疲劳极限“的定义是在安全的运行10000次之后的应力最大值。进行拉伸试验是符合ASTM协议E8M/88标准，采用万能试验机（英斯特朗8501）。断裂韧性参数Kic可以采用sen（10）和标准试样10*20*100毫米，经指定的规格美国ASTM E39标准来测量取得。测试标本进行预加工，热处理，机加工到最终尺寸，缺口，开缝，并进行测试。缺口是由电腐蚀机腐蚀而得，并用双偏心机循环负荷进行了预裂。用投影仪该最后裂纹长度测量。所有报告的属性值中至少平均测试三个样本。图1 疲劳强度实验的样品3。结果与讨论3.1。材料特性表1中不同的化学成分的基体已列出。作为铸态组织为珠光体和铁素体，而球化率超过90，符合美国ASTM247标准。结节数为180 nod/mm2。表2显示了样品特性，奥氏体化温度，珠光体和基体显微结构的最后百分比。双相等淬球铁中铁素体和奥氏体相对量分别为：样品D1为80的铁素体-20奥氏体。的，样品D2的50铁素体- 50奥氏体和样品D330的铁素体- 70%铁素体。图2表示是微观结构为完全获得铁素体的球铁，在不同的双相温度区间内奥氏体化，然后在350盐浴（D1，D2， D3）的双相等淬球铁样本，以及等淬球铁样本。如图所示，双相等淬球铁显微结构的不同比例铁素体和奥氏体可以通过不同温度的奥氏体化来热处理得到。残余奥氏体分数没有确定，因为本研究的目的是不同比例的铁素体和奥氏体对双相等温淬火球体机械性能的影响。不过，值得一提的是，我们可在完全等淬球铁样本和双相等温淬火样本观察到的显著差异。例如图3（a）中放大样本D1的显微结构。在这种情况下，奥氏体主要是在最后凝固区（LTF），与图3（b）中的完全奥氏体等淬球体的样本相比，奥氏体分布明显不均匀。双相组织的形态和均匀性的的差异可解释是数量铁素体和残余奥氏体影响，其中主要取决于：i）在化学成分之间的差异和LTF区（偏析）影响，ii）双相温度之间的温度差和LTF（也受化学成分的影响）及iii）奥氏体中的碳含量不同收到热处理的奥氏体化温度的影响。这些对机械性能的影响因素不属于本文的讨论范围。不过，这些可以是未来具有研究潜力的方向。3.2。疲劳性能对样品F，D1和D3的，和ADI（见表2）几组材料进行疲劳试验。图4对所研究的四个样本的疲劳试验的总结结果。疲劳强度（氮，失效的次数）的取得可用拉伸应力（DS）来作为参考。值得注意的是，在混合基体中，随着奥氏体的比例增大，疲劳强度也增大。完全等淬球铁达到最大值。图。5清晰的表现这一特性，表示的疲劳强度与基体中奥氏体的百分比的关系。与完全铁素体基体的样本（F）相比，样品D1含少量（20）奥氏体在最后凝固区有明显的增加。这些结果与由Verdu等人9）的理论所得相一致，他认为，与完全铁素体球体相比，在石墨球周围的位置奥氏体比例为25左右的双相等淬球铁的耐力极限有显著提高。关于D3的样本（含30铁素体和 70奥氏体）相比完全铁素体等淬球铁，疲劳强度增长了40;而理论是70%的增量。加入两个参考资料图（图5）进行比较，参考文献1 Venugopalan等11）获得的结果即基体为铁素体和珠光体材料的球铁的轴向疲劳强度。;而参考文献2表示的是陈光林等得到的结果12）。在这两种情况下，这项实验的结果应该在这两个范围之间。3.3。力学性能表3分别列出了样本F,D1，D2，D3和等淬球铁的抗拉强度、屈服强度、延伸率、断裂韧度(KIC),至关重要的(裂纹尺寸KIC / s 0.2)2的 结果。正如所料，当奥氏体的增多，抗拉强度，屈服强度和断裂韧性有所提高，而伸长率下降。其结果样本D1的（KIC/ s的0.2）2的比例最大。值得注意的是，如上所述，奥氏体化阶段主要是在最后凝固区，最后凝固区最容易铸造缺陷，如夹杂物，气孔，碳化物等等（见图。2，球铁）4,5）。在这种情况下，奥氏体被认为是加强最弱的区域阶段，从而提高断裂韧性。对含较高比例的奥氏体，（KIC / s的0.2）2减弱了对这种对屈服强度的提高。3.4。不同材料的比较和分析图6描述了基体中奥氏体的比例对不同的机械性能变化的影响。与完全铁素体基体相比，直到基体为70 %奥氏体，都可以发现在屈服强度，抗拉强度，耐力极限，断裂韧性（KIC）上有稳定的增长。在这种情况下，它们比等淬球铁性能好。这一增长主要是因为与铁素体比，奥氏体较高的机械性能。但是，如表 3.1，应该考虑到其他变量也可以影响的力学性能。然而，这种趋势不适用延伸率和临界裂纹尺寸。实际上，极限延伸率表现出相反的趋势，屈服强度也随着奥氏体比例的增大而减少。至于临界裂纹尺寸，它的特点是波动的趋势，基体中20的奥氏体样品中为最大值，基体中含70%和100奥氏体样本为最小值。根据研究结果，相比于完全铁素体基体的样本，似乎双相等淬球铁样本含有约20的奥氏体会表现出所有机械性能的提高（除直至断裂伸长率）。为了更好地解释这一现象，图.7提供了双相等淬球铁D1机械性能增加的百分比，与完全铁素体基体的球铁相比。特别值得注意的是：疲劳强度增加了25。因此，这种基体材料的机械性能相比于完全铁素体基体的材料会有明显的提高。另外，虽然奥氏体的含量增加延伸率会降低，但降低非常小，且直至失效的延伸量仍满足ASTM(美国材料试验学会)A536标准（18%）。这意味着，双相等淬球铁克服了完全铁素体基体的球铁在的机械和抗疲劳性能上的不足，同时还保留着非常高的变形能力。事实上，安全部件正需要这样的性能的材料。那么，双相等淬球铁可通过显微结构比例的调整来满足广泛的机械性能要求的零件的观点，这就可以假设让它替代其他传统的微观结构（全铁素体，铁素体-珠光体，珠光体，回火马氏体）的材料，因为等淬球铁可以提高相结合的力学性能。如图8所示，表示与其它的不同的微观结构相比，样本D1直至失效强度-变形，我们的结果与其他作者.4 - 9）一致。4。结论（1）疲劳试验表明，在基体增加ausferrite比例递增，如果抗疲劳铁素体相比，完全矩阵。少量的ausferrite（20的样本点）提高耐力限制约25。（2）在一般情况下，当ausferrite增多，抗拉强度，屈服强度，断裂韧性提高同时，而伸长率下降。不过，这种减少是非常小的，所有双相ADI公司矩阵不断有变形，直到失败的满足最低值由ASTM标准所需的A 536。（3）D1的样本产生了一个在所有的机械增长随着物业在伸长率很低减少直到故障，具有完全的铁素体的直接投资比较。该（创智天地/ s的0.2）2比揭示了这种材料的最大价值变种。（4）双相ADI公司可以提供范围广泛的机械对微量成分的相对百分比计算性能目前在矩阵。这将导致假设它可以取代其它传统微因为它可以支持的综合力学性能。鸣谢金融支持CONICET，SECYT和授予在马德普拉塔国立大学表示感谢。工程给予的帮助。纳尔逊阿尔瓦雷斯比利亚尔从CITEFA也是值得庆幸的认可。参考文献1）/en/ductile/frset_family.htm。2）/didata/Section7/7intro.htm。3）ASM手册卷。1，性能和选择：铁杆和钢，第九版，学会，美国俄亥俄州（1992年），33。4）答：巴索，河马丁内兹和J.西科拉：母校。科技。Technol。，23（2007年），1321。5）答：巴索，河马丁内兹和J.西科拉：母校。科技。Technol。，（2008年）出版社。6）五Kilicli和M.埃尔多安：母校。科技。Technol。，8（2006年），919。7）五Kilicli和M.埃尔多安：诠释。j的铸造会见。，20（2007）