－贝球铁断裂与疲劳研究的新近进展

第18卷第4期1 8材料科学与工程期000文章编号：1004793x(2000)04一们1105奥一贝球铁断裂与疲劳研究的新近进展戴品强“2，何则荣2，毛志远1(1浙江大学材料系，浙江杭州310027；2福州大学材料学院，福建福州350002)【摘要】奥一贝球铁具有很强的强度、塑性、韧性、疲劳强度和耐磨性等综合性能，应用日益广泛，已成为一种重要的工程材料。近年来对其断裂与疲劳的研究发展很快得到不断的深人，本文详细介绍了其新近进展。【美键词】奥贝球铁；球墨铸铁；断裂疲劳中匿分类号：，I 文献标识码：on inE Zehi10027，PR50002PRDl)of in Oan he DI he il of Dl 称奥一贝球铁，国外称为将球墨铸铁奥氏体化后等温淬火而得到的，其基体为贝氏体铁索体(虬)和残留奥氏体混合组织，残留奥氏体量为2050，理想的组织是中无碳化物沉淀口叫这种独特的组拳赋予奥一贝球铁具有较高的强度、塑性、韧性，疲劳强度和耐磨性，综合性能显著高于其他基体的球铁”“。奥一贝球铁的出现是球墨铸铁强韧化的重大突破，自1977年问世以来，受到材料界和工程界的广泛重视，对其进行了大量的研究。早期的研究多集中在热处理工艺一化学成分一显徽组织及常规力学性能的相互关系方面，而对断裂与疲劳机理的研究较少，随着这种材料应用的日趋广泛，这方面收963一)建仙游，福州大学硼教授在职博生方数据的研究也愈来愈受到重视。本文将详细介绍国内外对奥一贝球铁断裂与疲劳研究的进展，并提出进一步研究的建议。1奥一贝球铁的断裂11奥贝球铁断裂的微观机理奥 贝球铁的机械性能与热处理工艺，化学成分、石墨数量与大小有关，热处理工艺通过改变显徽组织中残留奥氏体的数量与形态、贝氏体铁素体的形态、碳化物沉淀等而影响机械性能，这些已有许多报道”5卜“一，这里不再详述。臭一贝球铁断裂的基本过程也是裂纹的萌生与扩展过程。由于奥 贝球铁组织中含有石墨、贝氏体铁紊体、残留奥氏体，还可能有少量的马氏体和碳化物，基体中存在明显的成分偏析而导致组织的不均匀性，因此，奥一贝球铁的断裂过程相当复杂。对臭一贝球铁断裂微观机理的研究多是通过断口分析进行的。奥贝球铁断裂前有明显的塑性变形延伸率有的可达右-”。典型组织的冲击断口是由大量韧窝组成，呈现韧性断裂的特征1z14。石德珂等一分析比较了不同基体球铁静弯和冲击试样的断裂途径观察到奥 贝球铁断裂的途径曲折存在许多断裂小平面，而珠光体基球铁断裂途径平直，因而奥 皿球铁具有较高的韧性。究了含铝奥一贝球铁的断裂过程及碳化物沉淀的影响。他们认为由于石墨和基体性能差异很大，在外力作用下，石墨周围产生很高的应力集中变形时石墨周围的基体首先发生塑性变形，在石墨基体界面上产生徽孔洞，这些微孔洞可以向基体扩展而形成裂纹裂纹在基体的扩展途径与贝氏体铁索体板条的取向、碳化物沉淀等有关，当贝氏体板条的取向与外力的夹角大于45。时，裂纹一般是沿贝氏体铁索体一奥氏体的界面扩展，当不存在碳化物沉淀时，裂尖前沿的滑移可连续越过界面，裂尖的塑性变形医较大，断裂方式为典型的韧性断裂；当贝氏体铁索体中有少量碳化物沉淀时，断裂方式主要为韧性断裂当碳化物数量增加，且沉淀在贝氏体铁紊体一奥氏体界面时，则裂纹沿界面扩展较容易，导致脆性断袈。奥 贝球铁中含有大量的高碳残留奥氏体，在断裂过程中裂尖的塑性变形将使奥氏体产生应变诱茇马氏俸相变+导致帽变诱发塑性，提高材料的韧性。关于裂尖奥氏体应变诱发马氏体转变的直接观112察的报道尚较少。-”3在研究残留奥氏体的数量和形貌对奥 贝球铁力学性能的影响中发现，当残留奥氏体量太于25时，变形过程奥氏体会转变为马氏体。他们从垂直于断口的截面上的显微组织观察到紧接断口处的残留奥氏体已完全转变为马氏体，随着距离的增加，马氏体数量减少从而推论裂纹在扩展过程中裂尖附近的残留奥氏体能转变为马氏体。我们最近采用扫描电镜及其附加的拉伸台对奥一贝球铁的断裂过程进行原位观察+发现奥 贝球铁的断裂时微裂纹首先是在与拉应力接近垂直的石墨一基体界面上萌生，然后沿界面扩展，引起石墨基体界面的开裂“，裂纹沿此界面的扩展过程使扩展方向不断发生偏转，导致裂尖应力强度因子降低1 7|。当界面裂纹扩展到与拉应力方向接近平行时，在与界面相邻的基体中产生微裂纹，然后向基体扩展，裂纹在基体中的扩展多沿贝氏体铁紊体奥氏体的界面，当遇到不同位向的贝氏体时，可使裂纹扩展方向发生偏转或分叉，这有益于材料韧性的提高。传统上认为，球墨铸铁中的石墨是几乎无强度的孔洞，造成应力集中及减少承载面积。然而何则荣等“”3在铁寡体基灰铁和球铁的断裂机理的研究中，提出了石墨非孔洞的理论。他们在现拉伸时裂纹首先是在石墨一基体界面上萌生，然后沿界面扩展，所有未开裂的石墨尖端或界面附近相邻基体上没有发现可觉察的滑移或开裂的现象。因此，石墨本身并不引起微缺口应力集中他们根据石墨的晶体结构及结合键特点，认为俦铁中石墨有相当高的强度。这些观点在奥贝球铁的断裂过程中也得到了证实。奥 贝球铁断裂时，基体中的裂纹也总是在石墨 基体界面开裂之后才萌生，石墨一基体界面断裂持续在整个断裂过程中。12奥一贝球铁的断裂韧性奥 贝球铁具有相当高的断裂韧性相当于中碳合金钢中温回火后的数值，也稍高于铁紊体基球铁：“。石墨的细化对断裂韧性K。随着抗拉强度的提高而降低，显微组织对断裂韧性有着重要的影响。最早研究奥一贝球铁断裂韧性的是德国的他们的结果表明有下贝氏体球铁的断裂韧性高于上贝氏体球铁，但他们所采用的工艺未能获得典型的奥 贝组织残留奥氏体在等温时发生分解。详细研究了奥氏体化温度、等温温度及时问对断裂韧性的影响，结果万方数据表明在300C350非合金奥一贝球铁断裂韧性研究的结果是上贝氏体球铁高于下贝氏体球铁。因此，关于显微组织对断裂韧性影响的研究结果尚不一致，最近将合金球铁奥氏体化后在不同温度下等温不同时间获得不同组织研究显微组织形貌、残留奥氏体含碳量及贝氏体铁素体的宽度等对断裂韧性的影响实验结果表明，K。随等温温度升高而提高，在300320之间等温达到最大值，随后随温度的进一步升高而降低显微组织分析表明，K。最高的组织为下贝氏体铁索体+30残留奥氏体，此时残留奥氏体的含碳量为18。K。与残留奥氏体含量碳量C，、贝氏体铁素体的宽度联系起来，发现K。d，(X，C，)“2式中d，为奥 贝球铁的屈服强度(与贝氏体铁索体的宽度有关)。实验结果与该式吻合得很好。在这些研究中，关于上、下贝氏体的判别主要是根据光学显微组织形貌和等温温度进行的，有研究表明奥 贝球铁中上、下。因此，有必要进一步澄清组织对断裂韧性的髟响。奥氏体化温度影响奥氏体晶粒大小及其古碳量从而影响等温组织中的贝氏体铁素体粗细及残留奥氏体的数量和含碳量。有关奥氏体化温度对断裂韧影响的报道较少，最近研究了奥氏体化温度对低锰奥一贝球铁断裂的影响，结果表明在945以下奥氏体化温度时K。影响不大+但当奥氏体化温度达到982时K。急剧降低同时强度、硬度也明显降低。他们推导出一个K。的表达式：K。x，d“2式中，余符号含义同前。该式与实验结果吻台。2奥一贝球铁的疲劳21显微组织对疲劳强度的影响奥一贝球铁中含有大量的高碳残留奥氏体，由于臭氏体有很高的鹿变强化能力，有利于疲劳性能的提高因此奥 贝球铁有很高的疲劳强度“。奥 贝球铁的疲劳强度与拉伸强度或硬度不成正比，与韧性，残留奥氏体数量和含碳最有密切的关系“”q。球铁疲劳强度发现奥一贝球铁的疲劳强度远高于珠光体基球铁和淬火回火球铁1】，然而未涉及到显微组织对疲劳强度的影响。究了显微组织对奥 贝球铁疲劳强度的影响，结果表明：疲劳强度随着等温温度的升高而提高，而拉伸强度则相反，提高残留奥氏体的含量和基体的古碳量可以提高疲劳强度；上皿氏体球铁的疲劳强度高于下贝氏体球铁，与钢不同，奥一贝球铁的疲劳强度则随拉伸强度的降低而升高，从所做出疲劳强度与x 系曲线发现疲劳强度与X，C，成直线关系但过高的奥氏体化温度造成晶粒粗大，导致疲劳强度的降低。cK圳详细研究了等温工艺，球化率、石墨数量、残留奥氏体的古量和形貌对奥 蚍球铁高、低周疲劳的影响，结果发现减小石墨球的直径，降低台金成分偏析和缺口效应均提高疲劳强度。一般说，奥 贝球铁的疲劳强度随韧性和残留奥氏体量的增加而提高9。残冒奥氏体提高疲劳强度的原因，可能是残留奥氏体在疲劳过程中转变为马氏体，松弛了裂尖应力诱发裂纹闲台导致疲劳裂纹扩展阻力的增加。但奥氏体向马氏体转变对低周疲劳有害”。奥 贝球铁的疲劳强度随石墨球径的减小，球化率的提高而提高26。”。奥一贝球铁低周疲劳的研究报道较少，但有研究指出低周疲劳时残留奥氏体在某一应变值以上，产生应变诱发马氏体相变脆性的马氏体不能协调塑性变形的分布和发展，降低组织塑性，分割残留奥氏体，加速疲劳裂纹的形核与扩展；而在某一应变值以下残留奥氏体不发生相变。在低应变值时，奥一皿球铁表现为循环硬化021或循环稳定；在高应变值时表现为循环软化。不同材料的硬化、软化程度不同”1。残留奥氏体的机械稳定性越高，在疲劳过程越不易转变为马氏体，应变疲劳寿命越高”2。奥一贝球铁的疲劳缺口敏感度高于灰口铸铁，低温等温后的疲劳缺口敏感度高于高温等温“。22奥 贝球铁疲劳裂纹的萌生与扩展奥一贝球铁疲劳断裂的过程大致为：石墨 基体界面的开裂，界面附近基体产生裂纹，界面裂纹有选择地连接o“”。宏观上疲劳裂纹的扩展途径垂直于外力方向，裂纹在基体中的扩展通常是沿贝氏体铁素体一奥氏体界面，当然也受到贝氏体铁索体位向、碳化物沉淀等因素的影响，当疲劳裂纹扩展遇到不同位向的贝氏体铁素体时，引起裂纹的偏转_3。由于石墨与基体的界面结合为弱界面结合。因此，球铁疲劳初期微裂纹即可在石墨与基体的界面上萌生”“”，因此，球铁的疲劳寿命主要取决于裂纹扩展，有关球铁(包括奥 贝球铁)疲劳裂纹扩展机理厦扩展速率的研究尚较少。且结果也不一万方数据致，用紧凑拉伸试样研究不同组织低合金臭贝球铁的疲劳断裂裂纹门槛值和扩展速率其结果是奥一贝球铁的有效疲劳门槛值为45明显高于钢的23 m“2 不同组织的奥一贝球铁疲劳裂纹扩展速率相近，说明显徽组织对疲劳裂纹扩展速率影响较小，对疲劳裂纹的扩展途径的分析发现奥 贝球铁疲劳裂纹扩展中存在明显的“裂纹分支机制”该机制是由于裂纹与石墨的相互作用引起的。球铁的疲劳裂纹扩展过程，主裂纹尖端附近的应力场，使裂尖附近的石墨附近基体产生小裂纹，这些小裂纹随后向主裂纹扩展连接，这些小裂纹的产生降低主裂纹尖端的应力场，增加断裂面积，导致疲劳裂纹扩展速率的降低立力学模型，该模型与作者的实验结果相当吻合。较不同环境下应力比对臭一贝球铁和灰铁的疲劳裂纹扩展速率的影响，发现奥贝球铁疲劳裂纹扩展速率与da0叫与劳裂纹扩晨曲线发生转折是因为疲劳裂纹尖端的塑性区与显徽组织的尺寸处同一数量级裂纹的长大局限于晶体学滑移方向，这样就造成裂纹表面粗糙度增大，同时裂尖张开位移碱小，这两者相互作用结果使疲劳裂纹扩展曲线斜率发生变化。总之，臭一贝球铁疲劳强度的测试研究得较多，而对疲劳微观机理的研究深度则还不够，如疲劳短裂纹的萌生与扩展、疲劳损伤演化规律等。3结束语综上所述奥一贝球铁自1977年出现以来，由于其性能优良，应用日趋广泛，断裂与疲劳研究的重要性也日益突出，经过多年的努力，已取得了重要的进展，但由于奥一贝球铁组织较复杂存在种种铸造缺陷，因此断裂与疲劳的过程也较复杂，仍有许多问题值得进一步研究，如界面的作用与控制、徽裂纹萌生与扩展、疲劳损伤演化规律等。参考文献1M1 977，85：1172of IMt 1992，33；543114L E in _01 995，8：1095Jet of n _ 992，8；263石德珂，郭太展等奥氏体一贝氏体璋铁的组骞和性能J西安交通大学学报，19831，(2)：27Dof n of 1995，1 03，767周世权王丛祥等，等温球铁的研究及应用J金属热处理199i，：8KP Wu，et aI 992，100：833TN Bcf On of 98492：158Rin of n u 1 997，13；1007 et a，n of 1994，10；728Jof of on of an 1997，28A：1143L Eof 1994，10：71俊才真一贝球铁中残余臭氏体古量的研究J金属热处理学报，19951 6(2)Eof 1994，3i，137PQR YIn on of in X of 9948：( 5383】9321822332526328何则荣，纪松等，铸铁中石墨一蕞体界面近区力学行为J锰屈学报，9(4)：153ZR J鲥E、c 993 C Ju，et a1t of tn of 1996，28A：1457J1 C Ju，et on J9885555Pof 1 1998，29A：3005of on of a【ow DI)as c 999，5T，N Bn stof s，l 984，92：815T SSof J 991，99：793G P J n 、991，95：563KPWu，et of of j19921 00：833P。 ao et of033132j3333435：3533 738on of an au$J1 99489：4933ME L el in u aMo J 997，325383C K KIa、，of e 996，18：297CK Ket non us c99618309梅志，孙尧岬，奥贝球铁应变疲劳特性的研究口物理测试，1893，：106JR Cof I 99012：481C K J of of f 99820：301T，Jet of 9 1999，Peal，t hein J1984，7：85i in 265；1 29GL Let in 999t 21：35115万方数据奥贝球铁断裂与疲劳研究的新近进展作者： 戴品强， 何则荣， 毛志远作者单位： 戴品强(浙江大学材料系，浙江 杭州 310027;福州大学材料学院，福建 福州 350002)，何则荣(福州大学材料学院，福建 福州 350002)， 毛志远(浙江大学材料系，浙江 杭州310027)刊名： 材料科学与工程英文刊名： (期)： 2000，18(4)引用次数： 4次参考文献(38条)of of in of 氏体983(2)of on 温球铁的研究及应用 1991(7) u of of n of se of in of of of on of of of on of an of 995(2) on of EM on of of 铁中石墨及石墨993(4) of of on of C of on in of of of on a as n of of in u of of of on of an he in of of on of . 993(3) of of on of J. of in in in of in 999相似文献(10条)庆华 高质量铸态铁素体球铁及奥汽车工艺与材料2003(6)从铸态铁素体球墨铸铁及奥原材料、化学成分、脱硫、球化、孕育、合金化、热处理及铸件冷却等,用铸态组织中珠光体含量的变化制造奥机械工程师1999(5)研究了铸态球墨铸铁基体中珠光体的含量对等温淬火后奥示了珠光体含量的变化对奥出利用同种材料、桂新 低合金铬钼奥000该文阐述了奥能、影响因素以及发展前景与存在问题,对低合金铬钼奥求用球墨铸铁自身的动学转变立工艺奥贝球铁最佳生产工艺的稳定提供理论指导,合金铬钼奥20,中温转变曲线呈上、下贝氏体分开的双鼻子形氏体显微形貌复杂,即有典型的上贝氏体和下贝氏体,又有非典型贝氏体和粒状贝氏体;该材料的抗拉强度在900度中48击韧性在20永杰 采用连续冷却方法获得奥热加工工艺2006,35(1)根据不同的合金元素对球墨铸铁基体组织的影响,将锰、钼、镍和铜的含量合理搭配,以岩石为冷却介质,在连续冷却过程中获得了性能较好的奥氏体度可达3348 击韧度2648 J/达 球墨铸铁与球化剂的现状和发展 2000球墨铸铁优良的性能及奥贝球铁的发展使球铁在21世纪仍有良好的发展前景，该文综述了影响球铁和球化剂发展的主要因素，并指出计算机模拟技术在铸造中应用可预测组织、性能和可能出现的缺陷，从而为消除缺陷，优化工艺提供依据，计算机的应用将有力地促进球铁的发展。、铜低合金奥贝球铁特性研究 0(9)阐明了含奥贝球铁的凝固/胀仪曲线,绘制了奥氏体连续冷却转变曲线和等温转变动力学曲线,2奥贝球铁斜楔体的试制 2004介绍等温淬火球墨铸铁斜楔的化学成分选择,等温淬火