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珠光体灰铸铁的显微组织和力学性能
L. Collinia,lowast;, G. Nicolettoa, R. Konecnˇ a，b
- ——帕尔马大学工业工程系，帕尔马，意大利
- ——日利纳大学材料工程系, 日利纳 ,斯洛伐克
收稿日期：2007.5.3.;修改稿接受日期：2007.11.14.; 接受日期2007.11.19.
摘要：结构材料的力学性能与微观结构密切相关。本研究的主要目的是研究珠光体灰铸铁的组织与力学性能之间的关系。由于这项工作背后的工业兴趣，研究材料是从三个不同的铸造厂生产的相同的砂型铸件中提取的。实验室试验表明，同一牌号灰铸铁的力学性能，如抗拉强度和疲劳强度，在不同的铸造工艺条件下存在差异。此外，还发现了一个明显的统计数据分散，这取决于加工试样在铸件的位置。其原因是灰铸铁组织的不均匀性。通过观察金相组织，定量测定了石墨薄片的形貌、共晶团大小和夹杂物含量等微观结构参数。结果表明:石墨含量的降低提高了材料的拉伸强度和疲劳强度，细共晶团结构和高共晶磷化物含量均提高了材料的疲劳性能。
- 爱思唯尔版权所有
关键词:灰铸铁;铸造;机械性能;疲劳强度;微观结构
1 引言
由于其使用的灵活性、良好的可铸造性、较低的成本(比钢低20%～40%)和广泛的可实现的机械性能，使其在许多工业应用中具有广阔的前景。GCI的结构取决于浇铸前的化学成分、孕育剂和冷却条件[1-3]。
其化学成分的选择必须满足石墨的形状和分布、无碳结构和基体要求。通常，当弹性模量高、耐磨性好、表面光洁度好时，采用珠光体GCI。良好的机械加工性能、抗热震性、高的内阻尼能力和可在薄壁铸件中浇注的能力是必要的，但灰口铸铁的铁素体基体是首选。
石墨的显微结构以分散在亚铁基体中的石墨为特征。铸造工艺影响石墨片的成核和生长，从而影响石墨片的尺寸类型增强所需的属性。石墨的数量、石墨薄片的大小、形态和分布对GCI的力学性能起着至关重要的作用[5-7]。按特定标准(如[8])制备的石墨的七种片状石墨(形状或形状)。然后将层状石墨再细分为五种类型(图形)，这些类型由字母A到E表示。
结果表明，即使在较低的拉伸应力下，GCI的微观结构也表现出非线性的力学行为，即在片材尖端形成多个微裂纹；GCI在缺口敏感性方面的复杂行为，以及在拉伸和疲劳测试方面的复杂行为，尚未得到很好的理解[9-11]。
本工作展示了在实验室中对直接从工业铸件中提取的试样进行的力学和微观结构表征的结果，这些铸件由珠光体GCI制成，由三个不同的铸造厂生产，其设计如下:铸造厂A- C。
铸件呈复杂的内部形状，医用切口，这是潜在的服务故障区域。很多文献都证明了断裂和 GCI的疲劳性能与缺口半径无关，如[12,13]。复合组织是影响GCI抗拉强度的关键因素。本研究的目的是评估铸件的拉伸和疲劳强度的变异性，以及与组织的独立性，因此，与铸造实践的独立性。通过大量的金相分析，确定了石墨、基体形貌及其它金相组织特征的参数。通过拉伸试验、光滑试样疲劳试验和缺口裂纹扩展试验，得到了GCI的力学性能。
图1 A铸造厂的EN-GJL-300的金相组织，3%的硝酸浸蚀液腐蚀
2 灰铸铁(GCI)的力学性能
2.1 EN-GJL 300灰铸铁
所检测的材料为层状灰铸铁，基体为GJL300级珠光体(即最小抗拉极限强度300MPa)，根据参考文献[14]。珠光体是由铁素体和渗碳体交替层状面组成的共析转变的产物，具有强度高、硬度高的特点。铁素体是低碳铁相，具有低强度、高韧性;它的形成是由于石墨化元素，如硅或低冷却速率，厚铸壁的特点。渗碳体是一种硬而脆的金属间铁碳化合物，它的形成有利于铸件冷却速率高的区域，如薄壁段、角部或外部表面。珠光体的性能与铁素体-渗碳体平面间距密切相关:层间间距越小，珠光体的机械强度越大;
表1 三个铸造厂（A～C）生产的灰铸铁的化学成分（质量分数，%）
|
铸造厂 |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Mo |
Ni |
Cu |
Sn |
Ti |
V |
|
A |
3.29 |
1.52 |
0.79 |
0.055 |
0.03 |
0.15 |
0.005 |
0.029 |
1.34 |
0.009 |
0.013 |
0.011 |
|
B |
3.2 |
1.92 |
0.64 |
0.031 |
0.068 |
0.29 |
0.006 |
0.039 |
0.07 |
0.11 |
0.017 |
0.005 |
|
C |
3.15 |
1.98 |
0.85 |
0.086 |
0.086 |
0.086 |
0.012 |
0.068 |
1.1 |
0.018 |
0.012 |
0.014 |
续表
|
铸造厂 |
Al |
Pb |
Mg |
E.C. |
|
A |
0.002 |
0.003 |
0.001 |
3.815 |
|
B |
0.004 |
0.002 |
0.001 |
3.850 |
|
C |
0.005 |
0.002 |
0.001 |
3.839 |
图2 每一个铸件要加工两个试样
例如通过快速冷却[4,5]。典型的GCI珠光体组织如图1所示。
由铸造厂A-C生产的GCIs的化学成分见表1。它们在C、Si、Mn、P、S、Cr含量上略有不同，但所有元素含量均在标准[14]规定的范围内。三种材料的碳当量 (E.C)含量相近，铸铁A的当量碳含量为3.815%，铸铁B的当量碳含量为3.850%;所有的GCIs都是亚共晶的。
2.2．静态拉伸行为
在MTS伺服液压机上对最小截面直径为6mm的狗骨试样进行了单轴拉伸试验，应变速率为0.8mm/min，室温下。每个铸造厂已从铸件中加工出大约20个试样。图2为从铸件中提取试样的位置；局部壁厚24mm。
然后，利用威布尔分布对实验数据进行统计阐述，以便对三种元素的主值和数据量进行比较。本研究采用的威布尔分布形式为双参数分布F，定义如下: F(x;b,c) = 1 minus; e(minus;x/b)c, b ge; 0,c ge; 0 （1）
其中b和c分别为尺度参数和形状参数。在本研究的背景下，F(x;b，c)，表示某一力学基准(极限强度/屈服强度、弹性模量和伸长率)是等于或小于x。分布函数F(x;b,c)的参数b和c由线性回归确定。
表2 A-C铸造厂灰铸铁的力学性能和微观结构
|
铸造 Rp0.2 厂 (MPa) |
Rm (MPa) |
E (GPa) |
Af % |
Sw MPa |
⊿Kth MPa m1/2 |
psi;Ga MAb % (mm) |
SFc |
ECd (mm) |
EPe % |
|
A 237.6 |
272.8 |
111.0 |
0.68 |
39.7 |
6.13 |
15.1 0.190(s)–0.212(b) |
0.417 |
0.944 |
3.9 |
|
B 208.3 |
252.6 |
116.2 |
0.79 |
40.5 |
8.41 |
14.3 0.179(s)–0.227(b) |
0.449 |
0.842 |
3.7 |
|
C 205.5 |
230.0 |
108.7 |
0.59 |
62.8 |
5.77 |
18.7 0.147(s)–0.210(b) |
0.456 |
0.631 |
8.2 |
a——psi;G,石墨含量矩阵。
b—— MA，石墨片层平均主轴;(s)附近的小厚度;(b)附近的大厚度。
c——SF，石墨薄片的平均形状因子。
d——EC,平均共晶细胞的大小。
e——EP，共晶磷化物含量。
首先将式(1)转化为：1 minus; F(x;b,c) = e(minus;x/b)c （2）
然后两边同时取对数。得到Y=mX r形式的线性回归模型: （3）
F (x;式(3)中b, c)为未知数，由实验数据估计。F(x(i)的适当估计量;b, c)为x(i)的中位秩:
（4）
用线性回归方法对式(3)中的模型进行参数估计。回归线的斜率为形状参数c的值，与Y轴相交为r= - cln(b)。将威布尔分布应用于本工作的实验数据的结果如表2所示，其平均值为如表3所示根据威布尔参数b和c估算的机械性能。
对于表3所示的所有力学性能，这表明材料在施加的拉力每增加一个单位，其屈服或断裂的可能性就会增加。规模参数b，用直线与Y轴相交的点b=e(- Yc)计算，测量数据分布中的传播。
表3 A-C铸造厂灰铸铁拉伸试验的威布尔线性回归参数Y=cX-cln(b)
|
铸造厂 |
b |
c |
R2 |
|
|
A B lt;全文共11567字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[1817] |
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