|
奥贝球铁的冲击断口分析
戴秋莲
(华侨大学机电系，福建泉州 362011)
【摘 要】利用扫描电镜对经不同等淬工艺处理的奥贝球铁的冲击断口形貌进行了观察与分析，揭示了冲击断口形貌与冲击韧性、金相组织的内在联系，探讨了不同等淬工艺下奥贝球铁的断裂机理。
【关键词】 奥贝球铁；冲击韧性；断口形貌
1 前 言
奥贝球铁不仅具有高强度和高硬度，而且具有高的塑韧性和耐磨性。这种新材料的出现扩大了球铁的应用范围，是球铁强韧化的一个重要方面。自其问世以来，各国材料工作者已对它的研究和应用作了大量的工作。本文着重分析奥贝球铁的断口形貌及其断裂机理。
2 实验内容
实验用的化学成分如表1所示。熔炼设备为50kg的中频炉，采用含铜球化剂进行堤坝式冲入法球化处理，用75%硅铁进行炉前一次孕育处理。试样先浇注成厚28cm、长240cm的y型试块，然后从y试块底部加工出冲击韧性试样和金相试样。试样的热处理工艺见图1。试样的奥氏体化加热在SX-10-13型箱式电阻炉中进行，试样的等温淬火在盐浴内进行，淬火介质为55%NaNO3+45%KNO3混合盐。奥氏体化温度和等温盐浴温度的波动控制在±5℃内。
在室温下进行无缺口的冲击韧性试验，并从打断的冲击试样切下试块供X射线衍射分析和扫描电镜的断口形貌分析。残余奥氏体量的测定在日产D/Max旋转超强力X射线衍射仪上进行。
图1 试样的热处理工艺
3 结果与讨论
3.1 残余奥氏体对冲击韧性的影响
图2是不同等淬工艺下奥贝球铁的冲击韧性。由图可知，随等温温度的升高，冲击值不断增大，等温温度为350℃左右时冲击值最大。而后，随等温温度的升高，冲击值急剧下降。当等温温度超过410℃后，冲击值缓慢下降。在380℃时，随等温时间的延长，冲击值不断增大，等温时间超过120min后，冲击值上升缓慢，等温至150min时，冲击值仍然没有降低。上述冲击试样经X射线衍射分析测定其残余奥氏体量，结果如图3所示。
图2 冲击值随等淬工艺的变化
图3 残余奥氏体量随等淬工艺的变化
从上述实验结果可以看出，等温温度从295℃升高到355℃，残余奥氏体量增加不到7%，但冲击值却从33.6J/mm2增加到65.9J/mm2，增加近一倍。此外，380℃等温时，残余奥氏体量最多，但对应的冲击值却较低。对上述试样进行金相观察，发现随着等温温度的变化，贝氏体的形态、残余奥氏体的数量及分布、共晶团边界白亮区的大小均发生了较大的变化，如图4所示。在380℃等温，虽然残余奥氏体量最多，但由于贝氏体的成排性比355℃等温时差，且有一部分残余奥氏体以小块状分布在贝氏体束的交汇处，结果其冲击韧性反而较低。这说明奥贝球铁的冲击韧性不仅受残余奥氏体数量的影响，而且与贝氏体的形态、残余奥氏体的分布以及白亮区的大小有关。这是因为冲击值是由裂纹萌生功和裂纹扩展功组成的。当组织中有较多的白亮区存在时，有利于裂纹的形成与扩展；或者，当残余奥氏体呈块状分布在几束贝氏体板条的交汇处时，塑性变形容易局部地集中在这些区域，造成早期断裂[1]。
在380℃等温时，等温时间从20min增加到150min，贝氏体的形态全部为羽毛状，残余奥氏体量和冲击值都随等温时间的增加而不断增大，这说明在380℃等温时，即使等温时间长达150min，贝氏体也不发生第二阶段反应。由于球铁贝氏体转变的第二阶段反应导致脆性，因此，在实际等温处理中，存在着一个最佳的等温时间。这个时间要选在第一阶段进行得充分，第二阶段反应尚未开始前，并把这段最佳等温时间的间隔称为“过程窗口”。从金相组织来看，“过程窗口”是组织中含有最少的白亮区和最多的残余奥氏体量之间的等温时间间隔；从残余奥氏体量及冲击值随等温时间的变化来看，应是它们开始缓慢上升到开始下降之间的时间间隔[2]。对于实际生产来说，“过程窗口”越大，越容易得到理想的组织和性能，增加生产的可靠性。拓宽“过程窗口”最有效的途径是采用合金化处理[3]。由于该试样中含有较多的合金元素，因此在380℃等温时，“过程窗口”大于90min。
3.2 奥贝球铁的断裂机理
图5是冲击试样在扫描电镜下的断口形貌:可以看出，经355℃等温处理，整个断口由大量的韧窝组成，呈现韧性断裂的特征。说明试样在断裂之前，产生较大的塑性变形，断口上的韧窝就是显微空穴在塑性变形过程中不断长大或聚集的结果[4]。由图中还可看出，经380℃等温处理，断口形貌在石墨周围为细小的韧窝，而在远离石墨的共晶团边界则为冰糖块状，断口既有韧性断裂的特征又有脆性断裂的特征。当等温温度较高或等温时间较短时，断口主要是解理台阶，呈现脆性断裂的特征。从断口上可以看出河流花样起源于共晶团边界并指向石墨，说明微裂纹首先在共晶团边界处形成。
从上面的分析可知，当大量的残余奥氏体在奥贝球铁中以条状均匀地分布在贝氏体板条间时，奥贝球铁具有较高的冲击韧性，其断裂机理为韧窝断裂。这是因为:(1)在贝氏体间分布的条状奥氏体作为韧性相，当裂纹扩展与之相遇时要产生塑性变形消耗较多的能量，从而吸收变形功，松驰应力集中，并使裂纹尖端的曲率半径增大而钝化，使裂纹难以扩展[5]；(2)奥氏体在应力作用下发生塑性变形导致剧烈的加工硬化，使奥氏体转变成马氏体，相变时要消耗大量的塑性变形能，从而有助于韧性的提高；(3)由于裂纹总是沿着需要消耗扩展功最少的路径和方式进行，所以当裂纹扩展遇到奥氏体相时，由于裂纹难以扩展，迫使裂纹改变扩展方向，从而提高了韧性[5]。
图4 不同等温温度下的金相组织(500X)
a)295℃×90min b)355℃×90min c)380℃×90min d)440℃×90min
a)355℃×90min；b)380℃×90min；c)410℃×90min；d)380℃×30min
图5 冲击断口形貌
当奥贝球铁中残余奥氏体量较少而组织中有较多大块白亮区时，奥贝球铁的冲击韧性较低，其断裂机理为解理断裂。这是因为白亮区的组织为淬火马氏体+残余奥氏体，其硬度较高而塑性较差，使得裂纹容易在白亮区形成及扩展。
4 结 论
1.随等温温度的升高，奥贝球铁贝氏体的形态、残余奥氏体的数量及分布、白亮区的大小均发生了较大的变化。
2.奥贝球铁的冲击韧性不仅受残余奥氏体数量的影响，而且与贝氏体的形态及残余奥氏体在其中的分布有关。当大量的残余奥氏体以条状均匀分布在贝氏体板条间时，奥贝球铁具有较高的冲击韧性。
3.奥贝球铁的冲击韧性与冲击断口形貌相对应。当冲击韧性较好时，断口呈现韧窝断裂的特征；当冲击韧性较差时，断口呈现解理断裂的特征。
|
