奥氏体球铁低温冲击裂纹的萌生与亚稳扩展 姜 珂,曲迎东,尤俊华,周裕雄 (沈阳厂业人 ’ :材料科学Ijl r程学院, 沈 110870) 摘要:介 J 趟低温奥氏 球 铸铁的低濉尔波冲击试验.探讨J 冲. 裂纹的萌生 稳扩展特 通过埘示波冲.1 断 裂过 中的动念戟荷、吸收能 以及特 化移进f 分析发现,随营温度的降低,超低温奥氏体球墨铸铁有着 好的抵抗 冲. 裂纹萌 的能力,但 II1.Jj裂纹萌生 会迅速地延仲许开始、 I稳扩展; 冲击裂纹的亚稳扩展过程在冲击fjl(达划最 夫值的温度(一80℃)前后分圳被材料承受载倚的上升和冲山裂纹亚稳扩展区域的减少所影响 通过刈‘冲 断【1 察发 脱,随着温 的 降.冲击断l 1 裂纹萌,卜I 域的塑性变形持续上升,m在裂纹亚稳扩 区域Ijll,lt1:脱 增_人后减小的趋 势 关键词:球 铸铁;超低温;爪波冲击;裂纹 ,卜;业稳扩展 中图分类号:|r(;255 文献标识码:B 文章编号:1003—8345(20l7)01—0024—04 DOI:10.3969/i.issn.1003—8345.2017.O1.002 The Crack-Producing and Metastable Expansion Characteristics of Nodular Iron under lmpact Load JIAN(.Ke,Qt Ying—dong。、OU Jal/一Inla。ZHOU Yu—xiong (SI、 llyang liniversity ot.rethnology,StlI1('()I‘,f Matt、rials St’ience al/d Engineering.Shenyang 1 10870.China) Abstract:The ltlw telnpet’atuI e t'st・illography imI’a‘・I test of tl】 austenite f】()ttular iron Was introduced. Fhe(・rack t)¨’tlu(・ing alld its Inetashle expansion‘ haracteristi(‘s were(1ist tlSStS'(1.By almlyzing rite dynamic load.energy absorbing till(I ‘‘hal-at。teristi(’s displa(‘ef1lellt in lh( oscillogl’a1)hy impact fl'a(-turing pro(・eSS,it was dis(・overed that}】y the tenlpel’atlll,P Il1‘Opling,trl uh ra—h,w tempel‘alul’P austenit(’nodulal‘ir()11 W‘mh1]lave fil1)l’P I)etlel’ability to lesisl the ilnIKI(・【(・rat—k pl’I“ltu‘illg. howevei’Ihe iln1)a(‘I t!l‘a(’k wouhl rapidly( xterld alltI begin metastable t,xpatlsion;but the impact(・rack II1(-tastat)le PxI)allsion In‘OIJI ss wouhl ilfluen(‘ed I)v the load in(’i’f|asillg and lilt lasla1)le displat‘elllelll l'edit(‘ing I)efi)l’P and afteJ‘reat・hing Iht lelllpei‘ature(一80 :)when Ihe iinpa( l va]ue rP|jt‘Idng its nlaxillD.Im.It was(1ist-‘)vered by o1)sel’ving the itn1)a(・f fra(-I L1)’P tllal with 【t nlIlel'atllle droppilIg,the plastic detbrmation in the crack 1)ItHhieing titPa of the impact fracture‘・tmiimlously hu-rt ast ̄{, howevel’the metaslaIife expansi(I『】al‘ea sh()w (1 the Ireiid oI‘inci’easing at I】 ginning and then decreasing. Key words:no(hilai’iroI];ulhd—hl、v tempel’atui‘P;(ilSt‘illogi’aph>。in|pact: ra(‘k producing;metastable expansion 综合效益最优~ 用性,适应企业资源存量的现状。形成以新带【u, 优势互补,这是因为决定水桶容量的是最短的那 一(2)统筹谋划全局。项目的前期沦汪要充分 伞面,要多轮重复进行,力求集思广益,问题要想 透,不要怕花时间、费功大,因为从全周期上看, 块板子。 前期论证充分,能够有效避免失误、少走弯路、减 少浪费、节约时间。 5 结柬语 “f‘■五”期问,我同铸造行业将住《中l 制 造2025 ̄指导下,JJu快两化融合步伐,推动行业 向提质增效、节能减排、低碳环保厅向升级铸造 企业必须顺势而为。 持高效、优质、绿色的转 之路,才能焕发新的生机和活力,实现企、I 的n『 (3)聚焦能力匹配。资源总是有限的,不要奢 一下子解决所有问题.补齐所有“短板” 要着 眼能力 配,确定重点项目,以点带而,拉动整体 捉 ’。同时,把资源集中到重点项日上,确保“ J 刀”是锋利的~ 持续发展。囊 (编辑:王 峰,E—n1ail:x(|z1 w wxfawti. I】lI1) (4)结合企业实际。在技术改造的实施中,选 』l}j的l 艺、没帑不仅要保证先进性,更要考虑适 24州代铸铁2017/ 近 术,随着我H 1 业的 速发展,Jx【能发 f也、海}:装ff}以及大刑能源装备等卡¨火 、 对低 濉铸造材料的 需求与U俱增 H前, 关球 铸铁 材料低f^ lq:u:的研究主要集rf1在以Q F400—18L fI 、l350—22I 为主的铁素体球 铸铁材料lI_21 似址,陔材料住低温下行 一脆转变脱象,囚 此,!!能 一60 以 的l 作环境使川t 沦I , Fe—C合金中』JII入Ni、Mn等扩大 氏体卡l 的合金 亡素,能够使共析转变温度降 j图】 25『Ilf『1标准Y型试块 低至较低的濉度,扶得以奥氏体为丛休的 温组 织{。I 1 j-这类材料 低温条件 小仔 韧~脆转 变 象,l-J‘以住超低 (一1O0 )以下仍然保持 良女r的 J 、 “t-‘ tJ ̄ 找…埘r奥氏体球 铸铁的 I:究卜 集t 离 l 使川的有关力‘而,刈 丁_!{芏{低 氏体球 铸铁的研究i艮少, 外在这力 的研究也仅仅 埘趔低 氏体球景铸铁的力学性能仃 i已载。 【 ̄I JJ:E,芭 埘低温奥氏体球 铸铁进 低 .I尔波 冲 试验,J t冲,J:i-裂纹的萌 I.j1I 稳扩 特征 进行探时 1 试验材料与方法 验采川的超低温奥氏体球 铸铁材料足 按照A M A571/A57lM怀准要求制箭的 采用 5()k - 顷感心电炉进行熔炼,采川低 i,I!铁、 低(:铺铁 废钢作为炉料,合金』J【l入 采川c— i 分忻仪(CSA一2000 )对原铁液进{ IIJ定。采用 也底『lIJ人 进行球化及孕育处删,球化剂采』}j Ni—Mg合金, 育剂采用粒度为2~3 ll1ll1的 、eSi, 球化及 育处理温度为l 530 ,川处州好的铁 液浇汴 1昕示的25 nn 标准Y 7州i式块(铸 川呋喃树脂砂制作,浇滓濉度不低十l 400 oC), L’式块的最终化学成分为: (C)2.56% (5i)1.89%, ?f一(Ml】)4.03 ,(Ni)23.07%,“ (P)0.05%,其余 为 ,J 波冲;ti‘试验按照GB/T 229—2007怀准执 基金项目:l訇家自然基金资助项目(5l 274I42):辽宁省自然矛}学基 金资助项目(20l4028015);沈阳市科学与技术项目资助(Fl 5 199一 l—l5) 收稿日期:20l6—09一l 5 修定日期:2(Jl7-Ol一2() 作者简介:姜珂(1984.11一),辽宁沈阳人,博士研究生,主要从事金 属材料制备技术及低温断裂学等方面的研究工作 Fig.1 25 llllll standa ̄’(1 Y lJl《J(・k 行,采f『J M 【 ZC.I—1000 低温示波冲 试验机 分5;1 窒 、一20 、一60 、一80 :、一l00 、 14()_℃和一l93 进行爪波冲击试验,试验所采 用的材料均取n J Y型试块下部75Ⅲm范… 内 /J:波川 J 试验rIl’1每0.01 s试样发生的化移、 承受找倚以及I及l收的能量被自动采集.次 . 采川()lympus OLS4100 激光共聚焦 微 镜对冲 裂纹的I 和业稳扩展区域的断【I形 貌进行■维艰建, }f:根据ISO 4287:2010标准时 特定I 域的表 粗糙度进行测量: 【』1『,埘冲. 试样的两侧进i 抛光和腐蚀,并 冲 试验前 同一 域的 微纰织进行观察,以便直观的对比 冲 裂纹萌生干¨、I 稳扩展路 } 的 微纠t-LK变 1匕 2试验结果与分析 2足不¨濉度下超低温奥氏体球 铸铁 的州,山值f}1 2_I丁见,随着温度的降低,冲。 f『[ I十1室温31.7 J持续 升,住一80 时达到最大 35.3 J,之后川:始下降,在液N温度(一l93 )时, 冲 fi=|f下降至24.14 J . 下超低温奥氏体球墨铸铁的 中击值 lIlt、s of l】ll1’/:l-]()W tem/)(、raiu rP 1/0(]1llar II(1el’diferent【 IT1peralIJre 2017/1现代锛铁25 冈3是示波冲,l 断裂动态载茼一位移曲线, 其中,Fv,Fj,Fm和FuP分别为屈服载荷、起裂载 荷、最大载荷和失稳载荷.、 图4是动态载荷一位移附1线中的特征载荷和 位移。对于冲击裂纹起裂载荷的确定采用经验公 式Fi:(Fv+F—n)12.Fa为冲Li亍裂纹亚稳扩展位移 JmD内的载荷平均值,di和tlm分别为起裂载荷 与最大载荷时所对I、 的位移Is1。可以看出,超低温 奥氏体球墨铸铁冲 裂纹萌生的位置随温度的 下降而 现后移,并日.裂纹萌生时的起裂载衙Fi 持续增大,这都表明r更低的温度会增加材料抵 抗裂纹萌生的能力 fFl是,冲击裂纹萌生位移 “ 却逐渐地接近于最大载荷Fm所在的位移cJn , 这说明材料在从裂纹 始萌生到裂纹开始亚稳 扩展区域内抵抗裂纹延伸能力下降 然而,在冲 裂纹的业稳扩展中,住低温冲 击值达到最大值的温度(一80℃)前后,材料表现 Z 叠s 繇 4 ( 2 3 4 5 6 7 8 位移Inllrll (a) 16 l2 堇 藕 4 】 2 3 4 5 6 7 H 位移form (I1) 图3 示波冲击断裂动态载荷一位移曲线 Fig.3 Dynamit‘load—displacement‘‘ ln Ps t’f.the oscillography impa( t fi'acture 26观代铸铁2017/ I叶J了明显不同的特征、在一80 前,半均载荷Fa 随温度的下降而持续升高, 冲i 裂纹、I 稳扩腱 位移drop保持相对平稳,这说明此时材料所承 受载荷的上升主导了冲击 r 能的 升但是,材 料的冲击性能达到最大值后,平均载荷Fa开始 趋于平稳,而冲击裂纹 稳扩展区域却开始大幅 度减小,进而导致r冲 性能的下降 图5是一60℃的冲击断Ll l维形貌,为r史= 好的研究冲击裂纹在亚稳扩展 域的特征,采用 表面粗糙度公式Sa=1 lalZ(x,v) lv米近似的表 征冲击断口表面的塑性变形程度…川I I6是不同温度下冲击断rj的 糙度 Fh图 6可见,随着温度的下降。冲 断n在裂纹萌生 区域的塑性变形持续的 升许逐渐趋于半稳。这 是南于起裂载荷持续的升高造成更大的变形,而 起裂位置的后移使载衙作用在更大的断裂而上, 从而使塑性变形在后期 域半稳然而,在裂纹 稳扩展区域的塑性变形警现先增大后减小的 趋势,这也间接证实r陔区域的塑性变形程度与 128 3a!/—!! s 1O0 89/一 一一— ≮— 一 %鲫 1 一Sa(dmp) Sa(di) 0 20——20— 60—.80—.IO0——140——193 睃/'/: 图6不同温度下冲击断口的粗糙度 ig.6 I{oughness ot the impacl fl'aclures UlldPI’ 冲. I*l:f J ̄有着一定的_火联 3 结论 (1)在冲山载荷下,随着温度的降低,趟低温 氏体球景铸铁有若 好的抵抗冲击裂纹萌, 的能力.但冲1 裂纹萌牛 会 快地延仲并行始 、I 稳扣 腮 (2)冲击裂纹的亚稳扩展过程在低温冲山值 达到最大值的温度(一80℃)前后表现出明显不 问的特征,前者受到材料所承受载荷上升的丰 导, 嚣则受到冲击裂纹 稳扩展区域减小的影 响 (3)随着温度的F降,冲I 断几在裂纹萌 J x=域的 性变形持续L升, 在裂纹亚稳扩展 域则 现先增大后减/l,fl勺趋势。 参考文 献 陈{I .姑兴民,高 维, l{氐镍球躜铸铁低温冲 H:能肢断裂 fJL』 }{们f 定IJ]材 ;j.程,2012.(1 2):33—38 Nodular I ron 『21 j敞仲.J一建 允』 光, .超低 【高韧性球 铸铁() P400— 1 8AL的研究及J、 t]lJ】.铸造,2012,(08):856—861. 【31朱华明, 州忠,胡佝,t-.等.坼态低温岛韧性球耀铸铁 ’400— 18AI 缸体的研究及Ji;L}}JlJ1.铸造技术,2014,(01):106一108. 4]Bou,lot A,Ge,val V,Oquah 1),el a1.The role t)f manglll】t st III1l copper ill lhl Pllle(’Joid II'illlSt{ ̄!mation of sphentidal graphih、《 I ironlJ1 Metall MaterTl-al| ̄A.I996,(28):1 997—2 01 5. 5]Maarol Mohd l/ashidi.MoM}lasbullah hhis Mit'T11slrl】t-IIJrt |IIlrt Ⅲtx'hanieal properties【lf modified ductile N —r sist wjIII higl1t I mangtmese{!Oil|ell[….Mate ̄Svi Eng A,20 I 3,574:226—234. 6]Tabor A,Puly ̄‘a lJ.Zm ehski K,et al AustetliIic Il【Jrtilt,ir(1I/fl low temperalure appli{’all{ms….Art-h Foundt7 Eng 2009.(09): 163一l68. 71( B/T 229—2007,金 料 1-L撄锤冲 li-iR-J': ̄,J Isf. 8Iq,reenivasan P R lnw ‘ f.wallin s I|Itilll1 lr…I t t m I I1t _strain nIlI tlJ Ilfit’ASME E—I921 refi ̄PlI(t-leIIlI}rl-altlr{ s Il1tI ils apl}licalion IlJ rt f I pflI ・t( ̄mpelilttlre eslimation rrI}RI C}1 n1v【I- I …Nuc1 Eng Des,201 1,241:67—81. 9lLaidler K l Jl The WOIId f)f'I'hysieal ChemistO lM J.Oxfi)rd ()xli+rd University Press,1 993 l()l未、 ,陈内森.系列爪波 - 惭f 1 维形貌几何特fiI!f1】断裂 IC r]B[J1.金属学报,l998,34{O1):63—69 I I】宋 ,陈 森,脚仆金 断裂表而的i维覆建和I定 分析… 【}】 体视学 -jJ冬I像分{:I ,1997,(O2):I-5.■而 (编辑:吕姗姗,E—maiJ.xItzl Iss@126.¨l『I1) 2017/1脱代铸铁 27