球墨铸铁高温塑性变形行为研究及其应用

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1、大连理工大学博士学位论文摘要球墨铸铁作为一种廉价的结构材料，因其良好的耐磨性、减震性、低缺口敏感性以及优良的切削加工性能和铸造性能，已广泛用于汽车、农业机械、机床、冶金机械等多个领域，具有重要的应用价值和广阔的应用前景。目前，几乎所有的球墨铸铁件都是直接铸造成型或经机加工后使用，为了达到强度的特殊要求，常规的处理方法是在球墨铸铁冶炼过程中添加一些合金元素或者增加后续热处理工艺。但是，前者大大增加了球墨铸铁的生产成本，后者耗时、耗能，且对环境污染严重。而塑性加工由于具有较高的生产效率和材料利用率，并使得铸坯结构致密、粗晶破碎细化和均匀，从而

2、显著提高机械性能。因此，通过塑性加工使球墨铸铁获得近(净)终成形是提高球墨铸铁性能，扩展其应用领域的有效途径。本文以工业中最常用的QT450．10球墨铸铁为实验材料，利用物理模拟实验系统地研究了球墨铸铁的塑性变形行为，分析了高温压缩过程中金属基体以及第二相石墨颗粒的变化规律，进而探讨不同变形参数下微观组织的演变机制，利用优化的最佳变形温度确定了QT450—10高温锻造和高温轧制工艺，并尝试了锻造余热淬火在球墨铸铁磨球上的应用。主要研究结果如下：利用物理模拟实验系统地研究了不同变形参数下QT450．10的高温塑性变形行为。通过真应力．应变曲

3、线分析可知，球墨铸铁热变形过程中出现明显的加工硬化和加工软化现象；曲线上峰值应力在不同应变速率下均随温度的增加而下降，而峰值应变随温度的增加呈先增加后下降的趋势。QT450．10在650．950℃温度区间，应变速率为O．01．10s’1时的热压缩变形激活能Q=391．52kJ／mol，流变应力。与Z参数表述的流变应力方程为．盯：蕊1In{(志)1／6．014+[(志)2／6．014+1]m}其中Z参数可表述为：。’，391．52、z=揪p‘1尹)发生动态再结晶的临界应变为￡c=0．61sp对球墨铸铁变形试样的基体组织观察分析表明：球墨铸铁

4、在变形过程中存在形变诱导相变现象。球墨铸铁中形变诱导铁素体转变温度比常规先共析铁素体转变温度提高球墨铸铁高温塑性变形行为研究及其应用150℃，且诱导相主要在变形的石墨颗粒周围以碎布块状形态存在；形变诱导珠光体转变开始温度较未变形试样提高43℃，经奥氏体形变诱导珠光体转变后，珠光体发生球化，即碳化物相为均匀分布于铁素体基底的极细的球状颗粒沉淀，其平均尺寸仅为338nlTl，而铁素体基底分割为许多等轴的亚晶粒，其平均直径仅为1．16l,tm。研究了变形参数影响石墨颗粒演变的规律，结果表明：随温度的升高，石墨体积百分含量和石墨颗粒形状因子p(石

5、墨短轴／长轴)呈明显下降趋势，而相邻石墨间距则逐渐增加；当应变速率增加时，石墨间距略有下降，而石墨体积百分含量和石墨颗粒形状因子p均无明显变化；随着应变量的增加，相邻石墨间距和石墨颗粒形状因子13呈明显下降趋势，而石墨体积百分含量基本不变。计算表明，石墨由球形演变为椭球状后，当外界拉应力方向与椭球长轴平行时，石墨形状改变可缓和石墨对基体的应力集中效应。球铁热变形过程中，石墨发生塑性变形是因受到基体的摩擦力，导致石墨沿主流变应力方向伸长，即最终的石墨破碎是拉伸断裂而非脆性断裂，当变形量大于石墨颗粒破断的最小变形量(￡>￡min)时石墨随即发

6、生破裂。采用逐步逼近法得出QT450．10最佳压力加工温度区间。在该温度区间设计了球墨铸铁的高温锻造和高温轧制工艺。锻造过程中，球墨铸铁发生奥氏体变形后的相变，得到了间距小于0．319gm的细珠光体，较常规正火珠光体片层间距(0．46gm)小30．6％。尽管锻件较铸态试样的伸长率降低了14％，但是抗拉强度却由原来的560MPa增加到905MPa，提高了61．6％，抗弯强度增加了61．2％。当球墨铸铁轧坯的压缩比达到8．83(压缩量89％)时仍保持良好板型，并未出现破碎现象，说明球墨铸铁具有良好的高温可塑性。轧坯中心部位珠光体含量低于边缘部

7、分，石墨由球形演变为片层状。优化轧制参数后，轧坯抗拉强度较铸态球铁提高了26．5％，尤其在平行轧制方向取样的冲击功达到34J。轧板出现各向异性，板坯平行轧制方向(纵向)的抗拉强度比垂直轧制方向(．横向)高18．9％，延伸率高13．3％。最后，本文进行了球墨铸铁磨球的锻造余热淬火实验，与常规淬火球墨铸铁磨球以及含铬铸铁磨球相比，锻造余热淬火球墨铸铁磨球的马氏体组织由于继承了形变奥氏体中的位错结构而得到充分细化，磨球边缘硬度值比常规淬火磨球的高5．3％。并且锻造余热淬火磨球冲击韧性是常规淬火磨球和高铬铸铁磨球的3倍。锻造余热淬火的磨球磨损率比

8、常规淬火球墨铸铁磨球的磨损率低53．1％，比含铬铸铁磨球的磨损率低51．1％。摩擦系数比常规淬火球墨铸铁磨球的低7．4％，比含铬铸铁磨球的低9．6％。关键词：球墨铸铁；塑性变形；石墨；形变诱导