球墨鑄鐵高溫塑性變形行為研究及其應(yīng)用.pdf

1、球墨鑄鐵作為一種廉價的結(jié)構(gòu)材料，因其良好的耐磨性、減震性、低缺口敏感性以及優(yōu)良的切削加工性能和鑄造性能，已廣泛用于汽車、農(nóng)業(yè)機械、機床、冶金機械等多個領(lǐng)域，具有重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。目前，幾乎所有的球墨鑄鐵件都是直接鑄造成型或經(jīng)機加工后使用，為了達到強度的特殊要求，常規(guī)的處理方法是在球墨鑄鐵冶煉過程中添加一些合金元素或者增加后續(xù)熱處理工藝。但是，前者大大增加了球墨鑄鐵的生產(chǎn)成本，后者耗時、耗能，且對環(huán)境污染嚴重。而塑性加工由于

2、具有較高的生產(chǎn)效率和材料利用率，并使得鑄坯結(jié)構(gòu)致密、粗晶破碎細化和均勻，從而顯著提高機械性能。因此，通過塑性加工使球墨鑄鐵獲得近(凈)終成形是提高球墨鑄鐵性能，擴展其應(yīng)用領(lǐng)域的有效途徑。
　　 本文以工業(yè)中最常用的QT450-10球墨鑄鐵為實驗材料，利用物理模擬實驗系統(tǒng)地研究了球墨鑄鐵的塑性變形行為，分析了高溫壓縮過程中金屬基體以及第二相石墨顆粒的變化規(guī)律，進而探討不同變形參數(shù)下微觀組織的演變機制，利用優(yōu)化的最佳變形溫度確定了Q

3、T450-10高溫鍛造和高溫軋制工藝，并嘗試了鍛造余熱淬火在球墨鑄鐵磨球上的應(yīng)用。主要研究結(jié)果如下：
　　 利用物理模擬實驗系統(tǒng)地研究了不同變形參數(shù)下QT450-10的高溫塑性變形行為。通過真應(yīng)力，應(yīng)變曲線分析可知，球墨鑄鐵熱變形過程中出現(xiàn)明顯的加工硬化和加工軟化現(xiàn)象；曲線上峰值應(yīng)力在不同應(yīng)變速率下均隨溫度的增加而下降，而峰值應(yīng)變隨溫度的增加呈先增加后下降的趨勢。QT450-10在650-950℃溫度區(qū)間，應(yīng)變速率為0.01-1

4、0s-1時的熱壓縮變形激活能Q=391.52 kJ/mol，流變應(yīng)力σ與Z參數(shù)表述的流變應(yīng)力方程為，
　　 其中Z參數(shù)可表述為：
　　 發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變?yōu)閷η蚰T鐵變形試樣的基體組織觀察分析表明：球墨鑄鐵在變形過程中存在形變誘導(dǎo)相變現(xiàn)象。球墨鑄鐵中形變誘導(dǎo)鐵素體轉(zhuǎn)變溫度比常規(guī)先共析鐵素體轉(zhuǎn)變溫度提高150℃，且誘導(dǎo)相主要在變形的石墨顆粒周圍以碎布塊狀形態(tài)存在；形變誘導(dǎo)珠光體轉(zhuǎn)變開始溫度較未變形試樣提高43℃，經(jīng)奧

5、氏體形變誘導(dǎo)珠光體轉(zhuǎn)變后，珠光體發(fā)生球化，即碳化物相為均勻分布于鐵素體基底的極細的球狀顆粒沉淀，其平均尺寸僅為338nm，而鐵素體基底分割為許多等軸的亞晶粒，其平均直徑僅為1.16μm。
　　 研究了變形參數(shù)影響石墨顆粒演變的規(guī)律，結(jié)果表明：隨溫度的升高，石墨體積百分含量和石墨顆粒形狀因子β(石墨短軸/長軸)呈明顯下降趨勢，而相鄰石墨間距則逐漸增加；當應(yīng)變速率增加時，石墨間距略有下降，而石墨體積百分含量和石墨顆粒形狀因子p均無明

6、顯變化；隨著應(yīng)變量的增加，相鄰石墨間距和石墨顆粒形狀因子p呈明顯下降趨勢，而石墨體積百分含量基本不變。
　　 計算表明，石墨由球形演變?yōu)闄E球狀后，當外界拉應(yīng)力方向與橢球長軸平行時，石墨形狀改變可緩和石墨對基體的應(yīng)力集中效應(yīng)。球鐵熱變形過程中，石墨發(fā)生塑性變形是因受到基體的摩擦力，導(dǎo)致石墨沿主流變應(yīng)力方向伸長，即最終的石墨破碎是拉伸斷裂而非脆性斷裂，當變形量大于石墨顆粒破斷的最小變形量(ε>εmin)時石墨隨即發(fā)生破裂。
　

7、　 采用逐步逼近法得出QT450-10最佳壓力加工溫度區(qū)間。在該溫度區(qū)間設(shè)計了球墨鑄鐵的高溫鍛造和高溫軋制工藝。鍛造過程中，球墨鑄鐵發(fā)生奧氏體變形后的相變，得到了間距小于0.319μm的細珠光體，較常規(guī)正火珠光體片層間距(0.46μm)小30.6％。盡管鍛件較鑄態(tài)試樣的伸長率降低了14％，但是抗拉強度卻由原來的560 MPa增加到905 MPa，提高了61.6％，抗彎強度增加了61.2％。當球墨鑄鐵軋坯的壓縮比達到8.83(壓縮量89

8、％)時仍保持良好板型，并未出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，說明球墨鑄鐵具有良好的高溫可塑性。軋坯中心部位珠光體含量低于邊緣部分，石墨由球形演變?yōu)槠瑢訝?。?yōu)化軋制參數(shù)后，軋坯抗拉強度較鑄態(tài)球鐵提高了26.5％，尤其在平行軋制方向取樣的沖擊功達到34 J。軋板出現(xiàn)各向異性，板坯平行軋制方向(縱向)的抗拉強度比垂直軋制方向(橫向)高18.9％，延伸率高13.3％。
　　 最后，本文進行了球墨鑄鐵磨球的鍛造余熱淬火實驗，與常規(guī)淬火球墨鑄鐵磨球以及含鉻鑄鐵