簡(jiǎn)述球墨鑄鐵熱塑性受到應(yīng)變速率的影響
據(jù)分析，球墨冶煉鑄鐵由于耐磨性和減振性以及優(yōu)良的冶煉鑄造性能和廉價(jià)的的生產(chǎn)成本，目前已廣泛用于機(jī)械制造、冶金、礦山、化工、石油、造船等各個(gè)領(lǐng)域。為了消除球鐵在冶煉鑄造中產(chǎn)生的缺陷，提高強(qiáng)韌性，自1931年首次提出壓力加工可以改善球鐵的力學(xué)性能以來(lái)，材料工作者曾經(jīng)做了大量的工作。
隨著冶煉鑄造工藝的改進(jìn)以及水平連鑄球鐵棒材的生產(chǎn)，越來(lái)越多的學(xué)者開始對(duì)球鐵塑性變形進(jìn)行研討。但是，目前球鐵的變形機(jī)制仍然不十分明確，尤其是對(duì)球鐵變形過(guò)程中石墨形貌的演變尚存爭(zhēng)議。而以塑性加工為目的，Dubinskii研討了球鐵的頂鍛和沖壓工藝對(duì)材質(zhì)力學(xué)性能的影響。張作梅、張青來(lái)以及季誠(chéng)昌等人分別對(duì)球鐵進(jìn)行了鍛造和軋制試驗(yàn)，并取得了一定的成果，但這些工作尚處于嘗試性的試驗(yàn)研討階段，并沒有得到穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝制度。
對(duì)于鍛造，軋制，沖壓等不同的加工方法，相應(yīng)的加工速率會(huì)有明顯的差異，但是迄今為止很少有關(guān)于應(yīng)變速率對(duì)球鐵熱塑性影響的報(bào)道。本文用熱壓縮物理模擬實(shí)驗(yàn)，針對(duì)球墨冶煉鑄鐵的熱塑性變形，重點(diǎn)剖析了球墨冶煉鑄鐵塑性變形過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其內(nèi)部微觀石墨形貌的演變，揭示出應(yīng)變速率對(duì)球鐵高溫塑性的影響機(jī)制，對(duì)制定穩(wěn)定塑性加工工藝提供重要的理論依據(jù)。
1實(shí)驗(yàn)材料及方法實(shí)驗(yàn)采用牌號(hào)為QT450-10的球墨冶煉鑄鐵，其化學(xué)成分。經(jīng)感應(yīng)電爐熔煉，澆鑄成30mm的原始棒料，退火后沿軸向機(jī)加工成8mm×15mm的圓柱形試樣。為減少壓頭和試樣兩端的摩擦，先用800號(hào)砂紙打磨試樣兩底面。
在Gleeble-1500熱模擬機(jī)上進(jìn)行高溫軸向壓縮實(shí)驗(yàn)，采用逐步逼近，在950℃的壓縮溫度下，應(yīng)變速率分別選用0.1、1和10s－1，根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)壓縮變形量，壓縮后觀察試樣側(cè)面是否出現(xiàn)裂紋，以試樣側(cè)表面不出現(xiàn)肉眼可見裂紋時(shí)的壓縮程度表示塑性指標(biāo)，如果出現(xiàn)裂紋遂將預(yù)設(shè)壓縮變形量降低5%，依次重復(fù)實(shí)驗(yàn)直到壓縮試樣不出現(xiàn)裂紋即為極限壓下量。壓縮完畢后空冷，沿與壓縮軸平行的方向?qū)⒃嚇訉?duì)半切開，制備金相試樣。在MEF-3型光學(xué)顯微鏡（OM）上觀察組織。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1應(yīng)變速率對(duì)球鐵熱塑性的影響不同應(yīng)變速率下的極限壓下量對(duì)比情況，可以看出，在溫度恒定的條件下，隨著應(yīng)變速率的增大，QT450-10球鐵所能達(dá)到的極限壓下量逐漸減小，即球鐵的塑性隨應(yīng)變速率的升高而降低。這是因?yàn)樵诟邷貐^(qū)變形，變形速率越高，變形時(shí)間就越短。一方面，熱量散失的機(jī)會(huì)減少，因而溫度效應(yīng)越大，就會(huì)促使晶間的低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化，出現(xiàn)晶間斷裂，則金屬的塑性降低；另一方面，應(yīng)變速率越高，塑性變形驅(qū)使同時(shí)運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)更多，并且要求位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度增大。而位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度又是和剪應(yīng)力有密切的關(guān)系，這種關(guān)系可以近似表示。
臨界剪應(yīng)力的升高，當(dāng)然就意味著屈服強(qiáng)度的增加。研討表明，在許多情況下，變形速率對(duì)金屬的斷裂抗力基本上沒有影響。
因此，隨著應(yīng)變速率的增加，金屬就會(huì)更早地到達(dá)斷裂階段，也即意味著金屬塑性的降低。
此外，增加變形速率，由于沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行回復(fù)和再結(jié)晶，而使金屬的塑性降低。一般就材料性質(zhì)來(lái)說(shuō)，化學(xué)成分越復(fù)雜，再結(jié)晶速度就越低，變形速率與塑性的關(guān)系就越敏感。當(dāng)變形速率增加時(shí)，會(huì)引起塑性的明顯降低。如高合金鋼、高溫合金以及鎂合金、鈦合金等有色合金，在熱成形時(shí)都表現(xiàn)出這種趨勢(shì)，而低合金結(jié)構(gòu)鋼的塑性受變形速率的影響較小。
對(duì)于球墨冶煉鑄鐵不僅含有大量Si，S，Mn等元素，而且這些元素在球墨冶煉鑄鐵中發(fā)生明顯的成分偏析，所以球鐵的塑性對(duì)于變形速率具有相當(dāng)高的敏感性，在圖3中也就體現(xiàn)出極限壓下量的差異。
2.2真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線利用Gleeble-1500采集到瞬時(shí)壓力和壓頭位移數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻(xiàn)中提供的計(jì)算得到QT450-10在950℃時(shí)，不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力（σ）-真應(yīng)變（ε）曲線。
可以看出，真應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而升高。由于變形速率增加，沒有足夠的時(shí)間發(fā)展軟化過(guò)程，所以在應(yīng)變速率為10s－1時(shí)得到的應(yīng)力峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于較低應(yīng)變速率的峰值。在開始加載階段，由于加工硬化造成真應(yīng)力隨真應(yīng)變?cè)黾泳手本€上升趨勢(shì)，真應(yīng)力達(dá)到峰值之后開始減小，說(shuō)明發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程，之后因?yàn)槲诲e(cuò)堆積，開動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)需要更多的能量從而導(dǎo)致應(yīng)力繼續(xù)增加。這種真應(yīng)力隨真應(yīng)變?cè)黾佣黾拥默F(xiàn)象主要是因?yàn)樽冃沃挟a(chǎn)生的位錯(cuò)堆積不能及時(shí)通過(guò)位錯(cuò)滑移、晶內(nèi)位錯(cuò)攀移或回復(fù)和再結(jié)晶等軟化機(jī)制消除，換言之，變形金屬的硬化速率超過(guò)軟化速率，結(jié)果使變形抗力升高，而當(dāng)軟化作用增強(qiáng)時(shí)，真應(yīng)力又隨之減小。
應(yīng)變速率對(duì)球墨鑄鐵熱塑性的影響
前文提到，增加變形速率將導(dǎo)致熱效應(yīng)增加，可見，變形速率對(duì)真應(yīng)力的影響比較復(fù)雜，主要根據(jù)金屬在具體條件下變形時(shí)硬化與軟化的相對(duì)強(qiáng)度而定。
QT450-10在不同變形條件下真應(yīng)力值差別很大，也再次說(shuō)明QT450-10材料對(duì)應(yīng)變速率的敏感性。
2.3應(yīng)變速率對(duì)石墨形貌的影響球鐵鑄態(tài)及不同壓縮速率下得到的石墨微觀形貌照片，可以看出，經(jīng)過(guò)壓縮變形后，石墨形貌均發(fā)生了顯著變形，而且隨著應(yīng)變速率的降低，球鐵的塑性提高，極限壓下量增加，石墨球變形程度亦加劇，依次呈橢球形、紡錘形甚至板條形。
石墨形貌的改變主要由以下兩個(gè)方面決定：一方面，石墨具有六方晶系的層狀結(jié)構(gòu)，同一層內(nèi)碳原子以共價(jià)鍵連接，原子間距為0.142nm，原子結(jié)合能為293～335kJ/mol，結(jié)合力強(qiáng)，而層與層之間的間距為0.335nm，原子結(jié)合能僅有70kJ/mol，結(jié)合力弱，因此當(dāng)石墨晶格受到剪切力作用時(shí)，就容易在層與層之間產(chǎn)生滑移。球狀石墨的主要晶體缺陷是小角度傾斜晶界，這種晶界是可移動(dòng)的，活動(dòng)很少受到限制，所以受力后變形代替了斷裂或破裂。
變形石墨顆粒的明/暗場(chǎng)像。暗場(chǎng)像可以看到，石墨周圍存在連續(xù)而完整的亮圈，說(shuō)明在三向不等壓應(yīng)力狀態(tài)下，石墨并未出現(xiàn)完全破碎，而是通過(guò)晶體內(nèi)位錯(cuò)滑移、攀移以及晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)等形式發(fā)生了塑性變形，變形后石墨顆粒內(nèi)的晶粒之間仍然保持著一定的晶向關(guān)系?？捎^察到石墨顆粒內(nèi)部晶粒延伸后的形貌。簡(jiǎn)言之，石墨顆粒并非完全脆性相，而是具有一定的塑性。
另一方面，當(dāng)球鐵在950℃時(shí)，基體為具有一定塑性的奧氏體，奧氏體首先產(chǎn)生塑性流變，并沿最大主應(yīng)力方向伸長(zhǎng)，“迫使”石墨顆粒球沿基體的流變方向變形，由于石墨球的變形相對(duì)金屬基體成滯后現(xiàn)象，所以基體在發(fā)生塑性變形時(shí)將與石墨分離，形成一定縫隙，使該處石墨球形成自由表面，流動(dòng)阻力最小，當(dāng)應(yīng)力加大時(shí)，石墨球受剪切力沿金屬流動(dòng)方向伸長(zhǎng)形成橢圓形填充孔隙，在高溫和壓應(yīng)力作用下，石墨球和基體通過(guò)擴(kuò)散又很好的焊合，乃至碳原子擴(kuò)散到基體當(dāng)中，造成“回溶”現(xiàn)象。此外，有少量石墨球，由于不均勻應(yīng)力作用和基體的塑性變形難以協(xié)調(diào)，產(chǎn)生破碎。球鐵塑性變形中，石墨球在基體流動(dòng)方向上伸長(zhǎng)，并形成整片的方向性排列，也體現(xiàn)出石墨球變形對(duì)基體變形流動(dòng)的依附性。這種結(jié)果既反映了整個(gè)球鐵構(gòu)件在塑性變形過(guò)程中的金屬流變情況，可以更好的剖析構(gòu)件的受力行為，同時(shí)，石墨顆粒的排列方向正好和受力方向匹配時(shí)，將大大提高球鐵構(gòu)件的使用強(qiáng)度，這也是球鐵鍛件強(qiáng)度高于冶煉鑄件的重要原因之一。由此可見，石墨的變形主要受應(yīng)力狀態(tài)和基體塑性的影響，而應(yīng)變速率直接對(duì)石墨形貌改變的影響較小。
隨著冶煉鑄造工藝的改進(jìn)以及水平連鑄球鐵棒材的生產(chǎn)，越來(lái)越多的學(xué)者開始對(duì)球鐵塑性變形進(jìn)行研討。但是，目前球鐵的變形機(jī)制仍然不十分明確，尤其是對(duì)球鐵變形過(guò)程中石墨形貌的演變尚存爭(zhēng)議。而以塑性加工為目的，Dubinskii研討了球鐵的頂鍛和沖壓工藝對(duì)材質(zhì)力學(xué)性能的影響。張作梅、張青來(lái)以及季誠(chéng)昌等人分別對(duì)球鐵進(jìn)行了鍛造和軋制試驗(yàn)，并取得了一定的成果，但這些工作尚處于嘗試性的試驗(yàn)研討階段，并沒有得到穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝制度。
對(duì)于鍛造，軋制，沖壓等不同的加工方法，相應(yīng)的加工速率會(huì)有明顯的差異，但是迄今為止很少有關(guān)于應(yīng)變速率對(duì)球鐵熱塑性影響的報(bào)道。本文用熱壓縮物理模擬實(shí)驗(yàn)，針對(duì)球墨冶煉鑄鐵的熱塑性變形，重點(diǎn)剖析了球墨冶煉鑄鐵塑性變形過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其內(nèi)部微觀石墨形貌的演變，揭示出應(yīng)變速率對(duì)球鐵高溫塑性的影響機(jī)制，對(duì)制定穩(wěn)定塑性加工工藝提供重要的理論依據(jù)。
1實(shí)驗(yàn)材料及方法實(shí)驗(yàn)采用牌號(hào)為QT450-10的球墨冶煉鑄鐵，其化學(xué)成分。經(jīng)感應(yīng)電爐熔煉，澆鑄成30mm的原始棒料，退火后沿軸向機(jī)加工成8mm×15mm的圓柱形試樣。為減少壓頭和試樣兩端的摩擦，先用800號(hào)砂紙打磨試樣兩底面。
在Gleeble-1500熱模擬機(jī)上進(jìn)行高溫軸向壓縮實(shí)驗(yàn)，采用逐步逼近，在950℃的壓縮溫度下，應(yīng)變速率分別選用0.1、1和10s－1，根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)壓縮變形量，壓縮后觀察試樣側(cè)面是否出現(xiàn)裂紋，以試樣側(cè)表面不出現(xiàn)肉眼可見裂紋時(shí)的壓縮程度表示塑性指標(biāo)，如果出現(xiàn)裂紋遂將預(yù)設(shè)壓縮變形量降低5%，依次重復(fù)實(shí)驗(yàn)直到壓縮試樣不出現(xiàn)裂紋即為極限壓下量。壓縮完畢后空冷，沿與壓縮軸平行的方向?qū)⒃嚇訉?duì)半切開，制備金相試樣。在MEF-3型光學(xué)顯微鏡（OM）上觀察組織。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1應(yīng)變速率對(duì)球鐵熱塑性的影響不同應(yīng)變速率下的極限壓下量對(duì)比情況，可以看出，在溫度恒定的條件下，隨著應(yīng)變速率的增大，QT450-10球鐵所能達(dá)到的極限壓下量逐漸減小，即球鐵的塑性隨應(yīng)變速率的升高而降低。這是因?yàn)樵诟邷貐^(qū)變形，變形速率越高，變形時(shí)間就越短。一方面，熱量散失的機(jī)會(huì)減少，因而溫度效應(yīng)越大，就會(huì)促使晶間的低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化，出現(xiàn)晶間斷裂，則金屬的塑性降低；另一方面，應(yīng)變速率越高，塑性變形驅(qū)使同時(shí)運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)更多，并且要求位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度增大。而位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度又是和剪應(yīng)力有密切的關(guān)系，這種關(guān)系可以近似表示。
臨界剪應(yīng)力的升高，當(dāng)然就意味著屈服強(qiáng)度的增加。研討表明，在許多情況下，變形速率對(duì)金屬的斷裂抗力基本上沒有影響。
因此，隨著應(yīng)變速率的增加，金屬就會(huì)更早地到達(dá)斷裂階段，也即意味著金屬塑性的降低。
此外，增加變形速率，由于沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行回復(fù)和再結(jié)晶，而使金屬的塑性降低。一般就材料性質(zhì)來(lái)說(shuō)，化學(xué)成分越復(fù)雜，再結(jié)晶速度就越低，變形速率與塑性的關(guān)系就越敏感。當(dāng)變形速率增加時(shí)，會(huì)引起塑性的明顯降低。如高合金鋼、高溫合金以及鎂合金、鈦合金等有色合金，在熱成形時(shí)都表現(xiàn)出這種趨勢(shì)，而低合金結(jié)構(gòu)鋼的塑性受變形速率的影響較小。
對(duì)于球墨冶煉鑄鐵不僅含有大量Si，S，Mn等元素，而且這些元素在球墨冶煉鑄鐵中發(fā)生明顯的成分偏析，所以球鐵的塑性對(duì)于變形速率具有相當(dāng)高的敏感性，在圖3中也就體現(xiàn)出極限壓下量的差異。
2.2真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線利用Gleeble-1500采集到瞬時(shí)壓力和壓頭位移數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻(xiàn)中提供的計(jì)算得到QT450-10在950℃時(shí)，不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力（σ）-真應(yīng)變（ε）曲線。
可以看出，真應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而升高。由于變形速率增加，沒有足夠的時(shí)間發(fā)展軟化過(guò)程，所以在應(yīng)變速率為10s－1時(shí)得到的應(yīng)力峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于較低應(yīng)變速率的峰值。在開始加載階段，由于加工硬化造成真應(yīng)力隨真應(yīng)變?cè)黾泳手本€上升趨勢(shì)，真應(yīng)力達(dá)到峰值之后開始減小，說(shuō)明發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程，之后因?yàn)槲诲e(cuò)堆積，開動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)需要更多的能量從而導(dǎo)致應(yīng)力繼續(xù)增加。這種真應(yīng)力隨真應(yīng)變?cè)黾佣黾拥默F(xiàn)象主要是因?yàn)樽冃沃挟a(chǎn)生的位錯(cuò)堆積不能及時(shí)通過(guò)位錯(cuò)滑移、晶內(nèi)位錯(cuò)攀移或回復(fù)和再結(jié)晶等軟化機(jī)制消除，換言之，變形金屬的硬化速率超過(guò)軟化速率，結(jié)果使變形抗力升高，而當(dāng)軟化作用增強(qiáng)時(shí)，真應(yīng)力又隨之減小。
應(yīng)變速率對(duì)球墨鑄鐵熱塑性的影響
前文提到，增加變形速率將導(dǎo)致熱效應(yīng)增加，可見，變形速率對(duì)真應(yīng)力的影響比較復(fù)雜，主要根據(jù)金屬在具體條件下變形時(shí)硬化與軟化的相對(duì)強(qiáng)度而定。
QT450-10在不同變形條件下真應(yīng)力值差別很大，也再次說(shuō)明QT450-10材料對(duì)應(yīng)變速率的敏感性。
2.3應(yīng)變速率對(duì)石墨形貌的影響球鐵鑄態(tài)及不同壓縮速率下得到的石墨微觀形貌照片，可以看出，經(jīng)過(guò)壓縮變形后，石墨形貌均發(fā)生了顯著變形，而且隨著應(yīng)變速率的降低，球鐵的塑性提高，極限壓下量增加，石墨球變形程度亦加劇，依次呈橢球形、紡錘形甚至板條形。
石墨形貌的改變主要由以下兩個(gè)方面決定：一方面，石墨具有六方晶系的層狀結(jié)構(gòu)，同一層內(nèi)碳原子以共價(jià)鍵連接，原子間距為0.142nm，原子結(jié)合能為293～335kJ/mol，結(jié)合力強(qiáng)，而層與層之間的間距為0.335nm，原子結(jié)合能僅有70kJ/mol，結(jié)合力弱，因此當(dāng)石墨晶格受到剪切力作用時(shí)，就容易在層與層之間產(chǎn)生滑移。球狀石墨的主要晶體缺陷是小角度傾斜晶界，這種晶界是可移動(dòng)的，活動(dòng)很少受到限制，所以受力后變形代替了斷裂或破裂。
變形石墨顆粒的明/暗場(chǎng)像。暗場(chǎng)像可以看到，石墨周圍存在連續(xù)而完整的亮圈，說(shuō)明在三向不等壓應(yīng)力狀態(tài)下，石墨并未出現(xiàn)完全破碎，而是通過(guò)晶體內(nèi)位錯(cuò)滑移、攀移以及晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)等形式發(fā)生了塑性變形，變形后石墨顆粒內(nèi)的晶粒之間仍然保持著一定的晶向關(guān)系?？捎^察到石墨顆粒內(nèi)部晶粒延伸后的形貌。簡(jiǎn)言之，石墨顆粒并非完全脆性相，而是具有一定的塑性。
另一方面，當(dāng)球鐵在950℃時(shí)，基體為具有一定塑性的奧氏體，奧氏體首先產(chǎn)生塑性流變，并沿最大主應(yīng)力方向伸長(zhǎng)，“迫使”石墨顆粒球沿基體的流變方向變形，由于石墨球的變形相對(duì)金屬基體成滯后現(xiàn)象，所以基體在發(fā)生塑性變形時(shí)將與石墨分離，形成一定縫隙，使該處石墨球形成自由表面，流動(dòng)阻力最小，當(dāng)應(yīng)力加大時(shí)，石墨球受剪切力沿金屬流動(dòng)方向伸長(zhǎng)形成橢圓形填充孔隙，在高溫和壓應(yīng)力作用下，石墨球和基體通過(guò)擴(kuò)散又很好的焊合，乃至碳原子擴(kuò)散到基體當(dāng)中，造成“回溶”現(xiàn)象。此外，有少量石墨球，由于不均勻應(yīng)力作用和基體的塑性變形難以協(xié)調(diào)，產(chǎn)生破碎。球鐵塑性變形中，石墨球在基體流動(dòng)方向上伸長(zhǎng)，并形成整片的方向性排列，也體現(xiàn)出石墨球變形對(duì)基體變形流動(dòng)的依附性。這種結(jié)果既反映了整個(gè)球鐵構(gòu)件在塑性變形過(guò)程中的金屬流變情況，可以更好的剖析構(gòu)件的受力行為，同時(shí)，石墨顆粒的排列方向正好和受力方向匹配時(shí)，將大大提高球鐵構(gòu)件的使用強(qiáng)度，這也是球鐵鍛件強(qiáng)度高于冶煉鑄件的重要原因之一。由此可見，石墨的變形主要受應(yīng)力狀態(tài)和基體塑性的影響，而應(yīng)變速率直接對(duì)石墨形貌改變的影響較小。
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