簡(jiǎn)述球墨鑄鐵熱塑性受到應變速率的影響
據分析，球墨冶煉鑄鐵由于耐磨性和減振性以及優(yōu)良的冶煉鑄造性能和廉價(jià)的的生產(chǎn)成本，目前已廣泛用于機械制造、冶金、礦山、化工、石油、造船等各個(gè)領(lǐng)域。為了消除球鐵在冶煉鑄造中產(chǎn)生的缺陷，提高強韌性，自1931年首次提出壓力加工可以改善球鐵的力學(xué)性能以來(lái)，材料工作者曾經(jīng)做了大量的工作。
隨著(zhù)冶煉鑄造工藝的改進(jìn)以及水平連鑄球鐵棒材的生產(chǎn)，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始對球鐵塑性變形進(jìn)行研討。但是，目前球鐵的變形機制仍然不十分明確，尤其是對球鐵變形過(guò)程中石墨形貌的演變尚存爭議。而以塑性加工為目的，Dubinskii研討了球鐵的頂鍛和沖壓工藝對材質(zhì)力學(xué)性能的影響。張作梅、張青來(lái)以及季誠昌等人分別對球鐵進(jìn)行了鍛造和軋制試驗，并取得了一定的成果，但這些工作尚處于嘗試性的試驗研討階段，并沒(méi)有得到穩定的生產(chǎn)工藝制度。
對于鍛造，軋制，沖壓等不同的加工方法，相應的加工速率會(huì )有明顯的差異，但是迄今為止很少有關(guān)于應變速率對球鐵熱塑性影響的報道。本文用熱壓縮物理模擬實(shí)驗，針對球墨冶煉鑄鐵的熱塑性變形，重點(diǎn)剖析了球墨冶煉鑄鐵塑性變形過(guò)程中應力-應變曲線(xiàn)及其內部微觀(guān)石墨形貌的演變，揭示出應變速率對球鐵高溫塑性的影響機制，對制定穩定塑性加工工藝提供重要的理論依據。
1實(shí)驗材料及方法實(shí)驗采用牌號為QT450-10的球墨冶煉鑄鐵，其化學(xué)成分。經(jīng)感應電爐熔煉，澆鑄成30mm的原始棒料，退火后沿軸向機加工成8mm×15mm的圓柱形試樣。為減少壓頭和試樣兩端的摩擦，先用800號砂紙打磨試樣兩底面。
在Gleeble-1500熱模擬機上進(jìn)行高溫軸向壓縮實(shí)驗，采用逐步逼近，在950℃的壓縮溫度下，應變速率分別選用0.1、1和10s－1，根據實(shí)驗經(jīng)驗預設壓縮變形量，壓縮后觀(guān)察試樣側面是否出現裂紋，以試樣側表面不出現肉眼可見(jiàn)裂紋時(shí)的壓縮程度表示塑性指標，如果出現裂紋遂將預設壓縮變形量降低5%，依次重復實(shí)驗直到壓縮試樣不出現裂紋即為極限壓下量。壓縮完畢后空冷，沿與壓縮軸平行的方向將試樣對半切開(kāi)，制備金相試樣。在MEF-3型光學(xué)顯微鏡（OM）上觀(guān)察組織。
2實(shí)驗結果與討論
2.1應變速率對球鐵熱塑性的影響不同應變速率下的極限壓下量對比情況，可以看出，在溫度恒定的條件下，隨著(zhù)應變速率的增大，QT450-10球鐵所能達到的極限壓下量逐漸減小，即球鐵的塑性隨應變速率的升高而降低。這是因為在高溫區變形，變形速率越高，變形時(shí)間就越短。一方面，熱量散失的機會(huì )減少，因而溫度效應越大，就會(huì )促使晶間的低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化，出現晶間斷裂，則金屬的塑性降低；另一方面，應變速率越高，塑性變形驅使同時(shí)運動(dòng)的位錯更多，并且要求位錯運動(dòng)的速度增大。而位錯運動(dòng)的速度又是和剪應力有密切的關(guān)系，這種關(guān)系可以近似表示。
臨界剪應力的升高，當然就意味著(zhù)屈服強度的增加。研討表明，在許多情況下，變形速率對金屬的斷裂抗力基本上沒(méi)有影響。
因此，隨著(zhù)應變速率的增加，金屬就會(huì )更早地到達斷裂階段，也即意味著(zhù)金屬塑性的降低。
此外，增加變形速率，由于沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行回復和再結晶，而使金屬的塑性降低。一般就材料性質(zhì)來(lái)說(shuō)，化學(xué)成分越復雜，再結晶速度就越低，變形速率與塑性的關(guān)系就越敏感。當變形速率增加時(shí)，會(huì )引起塑性的明顯降低。如高合金鋼、高溫合金以及鎂合金、鈦合金等有色合金，在熱成形時(shí)都表現出這種趨勢，而低合金結構鋼的塑性受變形速率的影響較小。
對于球墨冶煉鑄鐵不僅含有大量Si，S，Mn等元素，而且這些元素在球墨冶煉鑄鐵中發(fā)生明顯的成分偏析，所以球鐵的塑性對于變形速率具有相當高的敏感性，在圖3中也就體現出極限壓下量的差異。
2.2真應力-真應變曲線(xiàn)利用Gleeble-1500采集到瞬時(shí)壓力和壓頭位移數據，根據文獻中提供的計算得到QT450-10在950℃時(shí)，不同應變速率下的真應力（σ）-真應變（ε）曲線(xiàn)。
可以看出，真應力隨應變速率的增加而升高。由于變形速率增加，沒(méi)有足夠的時(shí)間發(fā)展軟化過(guò)程，所以在應變速率為10s－1時(shí)得到的應力峰值遠遠高于較低應變速率的峰值。在開(kāi)始加載階段，由于加工硬化造成真應力隨真應變增加均呈直線(xiàn)上升趨勢，真應力達到峰值之后開(kāi)始減小，說(shuō)明發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結晶過(guò)程，之后因為位錯堆積，開(kāi)動(dòng)位錯運動(dòng)需要更多的能量從而導致應力繼續增加。這種真應力隨真應變增加而增加的現象主要是因為變形中產(chǎn)生的位錯堆積不能及時(shí)通過(guò)位錯滑移、晶內位錯攀移或回復和再結晶等軟化機制消除，換言之，變形金屬的硬化速率超過(guò)軟化速率，結果使變形抗力升高，而當軟化作用增強時(shí)，真應力又隨之減小。
應變速率對球墨鑄鐵熱塑性的影響
前文提到，增加變形速率將導致熱效應增加，可見(jiàn)，變形速率對真應力的影響比較復雜，主要根據金屬在具體條件下變形時(shí)硬化與軟化的相對強度而定。
QT450-10在不同變形條件下真應力值差別很大，也再次說(shuō)明QT450-10材料對應變速率的敏感性。
2.3應變速率對石墨形貌的影響球鐵鑄態(tài)及不同壓縮速率下得到的石墨微觀(guān)形貌照片，可以看出，經(jīng)過(guò)壓縮變形后，石墨形貌均發(fā)生了顯著(zhù)變形，而且隨著(zhù)應變速率的降低，球鐵的塑性提高，極限壓下量增加，石墨球變形程度亦加劇，依次呈橢球形、紡錘形甚至板條形。
石墨形貌的改變主要由以下兩個(gè)方面決定：一方面，石墨具有六方晶系的層狀結構，同一層內碳原子以共價(jià)鍵連接，原子間距為0.142nm，原子結合能為293～335kJ/mol，結合力強，而層與層之間的間距為0.335nm，原子結合能僅有70kJ/mol，結合力弱，因此當石墨晶格受到剪切力作用時(shí)，就容易在層與層之間產(chǎn)生滑移。球狀石墨的主要晶體缺陷是小角度傾斜晶界，這種晶界是可移動(dòng)的，活動(dòng)很少受到限制，所以受力后變形代替了斷裂或破裂。
變形石墨顆粒的明/暗場(chǎng)像。暗場(chǎng)像可以看到，石墨周?chē)嬖谶B續而完整的亮圈，說(shuō)明在三向不等壓應力狀態(tài)下，石墨并未出現完全破碎，而是通過(guò)晶體內位錯滑移、攀移以及晶粒轉動(dòng)等形式發(fā)生了塑性變形，變形后石墨顆粒內的晶粒之間仍然保持著(zhù)一定的晶向關(guān)系?？捎^(guān)察到石墨顆粒內部晶粒延伸后的形貌。簡(jiǎn)言之，石墨顆粒并非完全脆性相，而是具有一定的塑性。
另一方面，當球鐵在950℃時(shí)，基體為具有一定塑性的奧氏體，奧氏體首先產(chǎn)生塑性流變，并沿最大主應力方向伸長(cháng)，“迫使”石墨顆粒球沿基體的流變方向變形，由于石墨球的變形相對金屬基體成滯后現象，所以基體在發(fā)生塑性變形時(shí)將與石墨分離，形成一定縫隙，使該處石墨球形成自由表面，流動(dòng)阻力最小，當應力加大時(shí)，石墨球受剪切力沿金屬流動(dòng)方向伸長(cháng)形成橢圓形填充孔隙，在高溫和壓應力作用下，石墨球和基體通過(guò)擴散又很好的焊合，乃至碳原子擴散到基體當中，造成“回溶”現象。此外，有少量石墨球，由于不均勻應力作用和基體的塑性變形難以協(xié)調，產(chǎn)生破碎。球鐵塑性變形中，石墨球在基體流動(dòng)方向上伸長(cháng)，并形成整片的方向性排列，也體現出石墨球變形對基體變形流動(dòng)的依附性。這種結果既反映了整個(gè)球鐵構件在塑性變形過(guò)程中的金屬流變情況，可以更好的剖析構件的受力行為，同時(shí)，石墨顆粒的排列方向正好和受力方向匹配時(shí)，將大大提高球鐵構件的使用強度，這也是球鐵鍛件強度高于冶煉鑄件的重要原因之一。由此可見(jiàn)，石墨的變形主要受應力狀態(tài)和基體塑性的影響，而應變速率直接對石墨形貌改變的影響較小。
隨著(zhù)冶煉鑄造工藝的改進(jìn)以及水平連鑄球鐵棒材的生產(chǎn)，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始對球鐵塑性變形進(jìn)行研討。但是，目前球鐵的變形機制仍然不十分明確，尤其是對球鐵變形過(guò)程中石墨形貌的演變尚存爭議。而以塑性加工為目的，Dubinskii研討了球鐵的頂鍛和沖壓工藝對材質(zhì)力學(xué)性能的影響。張作梅、張青來(lái)以及季誠昌等人分別對球鐵進(jìn)行了鍛造和軋制試驗，并取得了一定的成果，但這些工作尚處于嘗試性的試驗研討階段，并沒(méi)有得到穩定的生產(chǎn)工藝制度。
對于鍛造，軋制，沖壓等不同的加工方法，相應的加工速率會(huì )有明顯的差異，但是迄今為止很少有關(guān)于應變速率對球鐵熱塑性影響的報道。本文用熱壓縮物理模擬實(shí)驗，針對球墨冶煉鑄鐵的熱塑性變形，重點(diǎn)剖析了球墨冶煉鑄鐵塑性變形過(guò)程中應力-應變曲線(xiàn)及其內部微觀(guān)石墨形貌的演變，揭示出應變速率對球鐵高溫塑性的影響機制，對制定穩定塑性加工工藝提供重要的理論依據。
1實(shí)驗材料及方法實(shí)驗采用牌號為QT450-10的球墨冶煉鑄鐵，其化學(xué)成分。經(jīng)感應電爐熔煉，澆鑄成30mm的原始棒料，退火后沿軸向機加工成8mm×15mm的圓柱形試樣。為減少壓頭和試樣兩端的摩擦，先用800號砂紙打磨試樣兩底面。
在Gleeble-1500熱模擬機上進(jìn)行高溫軸向壓縮實(shí)驗，采用逐步逼近，在950℃的壓縮溫度下，應變速率分別選用0.1、1和10s－1，根據實(shí)驗經(jīng)驗預設壓縮變形量，壓縮后觀(guān)察試樣側面是否出現裂紋，以試樣側表面不出現肉眼可見(jiàn)裂紋時(shí)的壓縮程度表示塑性指標，如果出現裂紋遂將預設壓縮變形量降低5%，依次重復實(shí)驗直到壓縮試樣不出現裂紋即為極限壓下量。壓縮完畢后空冷，沿與壓縮軸平行的方向將試樣對半切開(kāi)，制備金相試樣。在MEF-3型光學(xué)顯微鏡（OM）上觀(guān)察組織。
2實(shí)驗結果與討論
2.1應變速率對球鐵熱塑性的影響不同應變速率下的極限壓下量對比情況，可以看出，在溫度恒定的條件下，隨著(zhù)應變速率的增大，QT450-10球鐵所能達到的極限壓下量逐漸減小，即球鐵的塑性隨應變速率的升高而降低。這是因為在高溫區變形，變形速率越高，變形時(shí)間就越短。一方面，熱量散失的機會(huì )減少，因而溫度效應越大，就會(huì )促使晶間的低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化，出現晶間斷裂，則金屬的塑性降低；另一方面，應變速率越高，塑性變形驅使同時(shí)運動(dòng)的位錯更多，并且要求位錯運動(dòng)的速度增大。而位錯運動(dòng)的速度又是和剪應力有密切的關(guān)系，這種關(guān)系可以近似表示。
臨界剪應力的升高，當然就意味著(zhù)屈服強度的增加。研討表明，在許多情況下，變形速率對金屬的斷裂抗力基本上沒(méi)有影響。
因此，隨著(zhù)應變速率的增加，金屬就會(huì )更早地到達斷裂階段，也即意味著(zhù)金屬塑性的降低。
此外，增加變形速率，由于沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行回復和再結晶，而使金屬的塑性降低。一般就材料性質(zhì)來(lái)說(shuō)，化學(xué)成分越復雜，再結晶速度就越低，變形速率與塑性的關(guān)系就越敏感。當變形速率增加時(shí)，會(huì )引起塑性的明顯降低。如高合金鋼、高溫合金以及鎂合金、鈦合金等有色合金，在熱成形時(shí)都表現出這種趨勢，而低合金結構鋼的塑性受變形速率的影響較小。
對于球墨冶煉鑄鐵不僅含有大量Si，S，Mn等元素，而且這些元素在球墨冶煉鑄鐵中發(fā)生明顯的成分偏析，所以球鐵的塑性對于變形速率具有相當高的敏感性，在圖3中也就體現出極限壓下量的差異。
2.2真應力-真應變曲線(xiàn)利用Gleeble-1500采集到瞬時(shí)壓力和壓頭位移數據，根據文獻中提供的計算得到QT450-10在950℃時(shí)，不同應變速率下的真應力（σ）-真應變（ε）曲線(xiàn)。
可以看出，真應力隨應變速率的增加而升高。由于變形速率增加，沒(méi)有足夠的時(shí)間發(fā)展軟化過(guò)程，所以在應變速率為10s－1時(shí)得到的應力峰值遠遠高于較低應變速率的峰值。在開(kāi)始加載階段，由于加工硬化造成真應力隨真應變增加均呈直線(xiàn)上升趨勢，真應力達到峰值之后開(kāi)始減小，說(shuō)明發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結晶過(guò)程，之后因為位錯堆積，開(kāi)動(dòng)位錯運動(dòng)需要更多的能量從而導致應力繼續增加。這種真應力隨真應變增加而增加的現象主要是因為變形中產(chǎn)生的位錯堆積不能及時(shí)通過(guò)位錯滑移、晶內位錯攀移或回復和再結晶等軟化機制消除，換言之，變形金屬的硬化速率超過(guò)軟化速率，結果使變形抗力升高，而當軟化作用增強時(shí)，真應力又隨之減小。
應變速率對球墨鑄鐵熱塑性的影響
前文提到，增加變形速率將導致熱效應增加，可見(jiàn)，變形速率對真應力的影響比較復雜，主要根據金屬在具體條件下變形時(shí)硬化與軟化的相對強度而定。
QT450-10在不同變形條件下真應力值差別很大，也再次說(shuō)明QT450-10材料對應變速率的敏感性。
2.3應變速率對石墨形貌的影響球鐵鑄態(tài)及不同壓縮速率下得到的石墨微觀(guān)形貌照片，可以看出，經(jīng)過(guò)壓縮變形后，石墨形貌均發(fā)生了顯著(zhù)變形，而且隨著(zhù)應變速率的降低，球鐵的塑性提高，極限壓下量增加，石墨球變形程度亦加劇，依次呈橢球形、紡錘形甚至板條形。
石墨形貌的改變主要由以下兩個(gè)方面決定：一方面，石墨具有六方晶系的層狀結構，同一層內碳原子以共價(jià)鍵連接，原子間距為0.142nm，原子結合能為293～335kJ/mol，結合力強，而層與層之間的間距為0.335nm，原子結合能僅有70kJ/mol，結合力弱，因此當石墨晶格受到剪切力作用時(shí)，就容易在層與層之間產(chǎn)生滑移。球狀石墨的主要晶體缺陷是小角度傾斜晶界，這種晶界是可移動(dòng)的，活動(dòng)很少受到限制，所以受力后變形代替了斷裂或破裂。
變形石墨顆粒的明/暗場(chǎng)像。暗場(chǎng)像可以看到，石墨周?chē)嬖谶B續而完整的亮圈，說(shuō)明在三向不等壓應力狀態(tài)下，石墨并未出現完全破碎，而是通過(guò)晶體內位錯滑移、攀移以及晶粒轉動(dòng)等形式發(fā)生了塑性變形，變形后石墨顆粒內的晶粒之間仍然保持著(zhù)一定的晶向關(guān)系?？捎^(guān)察到石墨顆粒內部晶粒延伸后的形貌。簡(jiǎn)言之，石墨顆粒并非完全脆性相，而是具有一定的塑性。
另一方面，當球鐵在950℃時(shí)，基體為具有一定塑性的奧氏體，奧氏體首先產(chǎn)生塑性流變，并沿最大主應力方向伸長(cháng)，“迫使”石墨顆粒球沿基體的流變方向變形，由于石墨球的變形相對金屬基體成滯后現象，所以基體在發(fā)生塑性變形時(shí)將與石墨分離，形成一定縫隙，使該處石墨球形成自由表面，流動(dòng)阻力最小，當應力加大時(shí)，石墨球受剪切力沿金屬流動(dòng)方向伸長(cháng)形成橢圓形填充孔隙，在高溫和壓應力作用下，石墨球和基體通過(guò)擴散又很好的焊合，乃至碳原子擴散到基體當中，造成“回溶”現象。此外，有少量石墨球，由于不均勻應力作用和基體的塑性變形難以協(xié)調，產(chǎn)生破碎。球鐵塑性變形中，石墨球在基體流動(dòng)方向上伸長(cháng)，并形成整片的方向性排列，也體現出石墨球變形對基體變形流動(dòng)的依附性。這種結果既反映了整個(gè)球鐵構件在塑性變形過(guò)程中的金屬流變情況，可以更好的剖析構件的受力行為，同時(shí)，石墨顆粒的排列方向正好和受力方向匹配時(shí)，將大大提高球鐵構件的使用強度，這也是球鐵鍛件強度高于冶煉鑄件的重要原因之一。由此可見(jiàn)，石墨的變形主要受應力狀態(tài)和基體塑性的影響，而應變速率直接對石墨形貌改變的影響較小。
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【責任編輯】：無(wú)錫市鑄造廠(chǎng)版權所有：http://轉載請注明出處
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