球铁断口分析
说明铸铁和低碳钢断口的特点
说明铸铁和低碳钢断口的特点铸铁和低碳钢是常见的金属材料，在工业生产和日常生活中都有广泛应用。
在使用这些材料时，经常需要对它们的断口进行分析，以了解其特点和性能。
本文将从断口的形态、颜色、纹理等方面详细说明铸铁和低碳钢断口的特点。
一、铸铁断口特点1. 断口形态铸铁的断口形态通常呈灰白色或深灰色，呈片状或贝壳状。
这是因为铸造过程中，铸件内部存在气孔、夹杂物等缺陷，导致其强度较低。
当受到拉伸力时，这些缺陷会在断裂面上形成明显的裂纹，最终导致片状或贝壳状的断口。
2. 断口颜色铸铁的断口颜色通常为灰白色或深灰色。
其中灰白色断口是由于表面氧化而形成的；深灰色则是由于碳化物晶体在断裂面上反射光线而形成的。
3. 断口纹理铸铁的断口纹理通常呈现出明显的晶粒状结构。
这是由于铸造过程中，液态金属在冷却过程中形成了不同大小的晶粒，断裂时这些晶粒会在断口上形成明显的纹理。
二、低碳钢断口特点1. 断口形态低碳钢的断口形态通常呈现出光滑平整的贝壳状或韧窝状。
这是因为低碳钢具有较高的韧性和塑性，在受到拉伸力时，其分子间结合力会先逐渐减弱，而不是突然断裂，最终导致贝壳状或韧窝状的断口。
2. 断口颜色低碳钢的断口颜色通常为银白色或灰白色。
其中银白色是由于表面氧化而形成的；灰白色则是由于金属内部晶粒在断裂面上反射光线而形成的。
3. 断口纹理低碳钢的断口纹理通常呈现出细密均匀的晶粒结构。
这是由于低碳钢具有较高的纯度和均匀性，在冷却过程中形成了细密均匀的晶粒，断裂时这些晶粒会在断口上形成均匀的纹理。
三、铸铁和低碳钢断口特点对比1. 形态对比铸铁的断口形态通常呈片状或贝壳状，而低碳钢的断口形态通常呈贝壳状或韧窝状。
这是由于两者材料性质不同，在受到拉伸力时产生了不同的变化。
2. 颜色对比铸铁和低碳钢的断口颜色都为灰白色或深灰色，但是在具体颜色上还是存在差异。
其中铸铁的灰白色更加明显，而低碳钢则更加接近银白色。
3. 纹理对比铸铁和低碳钢的断口纹理也存在差异。
断口分析
故障件的断口分析在形形色色的故障分析过程中,人们常会瞧到一些损坏零件的断口,但就是人们缺乏“读懂”它的经验,不能从它的断口处判断其损坏的真正原因而贻误了战机。
这里结合整改过程中的一些实例作些介绍,希望能对您有所帮助！对于汽车常用碳素钢与合金钢而言,其常见断口有:1.韧性(塑性)断口:发生明显塑性变形的断裂统称为塑性断裂。
断口形貌为韧性(塑性)断口,断口呈暗灰色没有金属光泽瞧不到颗粒状形貌,断口上有相当大的延伸边缘。
2.疲劳弯曲断口:2-1 在抗拉极限范围内的疲劳弯曲断口:出现典型的疲劳裂纹源区、裂纹扩展区与瞬时断裂区特征(下面将详述)。
2-2 超过抗拉极限范围内的弯曲断口:不具有典型的疲劳断口特征,属于不正常的弯曲断裂。
其断口特征:沿弯曲方向上下呈灰褐色无金属光泽的断层;而内层呈银灰色白亮条状新断口(见图1)。
图13.典型的金属疲劳断口典型的疲劳断口定会出现疲劳裂纹源区、裂纹扩展区与瞬时断裂区三个特征。
断口具有典型的“贝壳状”或称“海滩状”。
3-1 疲劳裂纹源区:就是疲劳裂纹萌生的策源地,它处于机件的表面,形状呈平坦、白亮光滑的半圆或椭圆形,这就是因为疲劳裂纹的扩展过程速度缓慢,裂纹经反复挤压摩擦而形成的。
它所占有的面积较其她两个区要小很多。
疲劳裂纹大多就是因受交变载荷的机件表面有缺陷;譬如裂纹、脱碳、硬伤痕、焊点等缺陷形成应力集中而引起的。
疲劳裂纹点在同一个机件上可能有多处,换句话说可能有多处疲劳裂纹源区,这需要我们去仔细解读疲劳断口。
3-2 疲劳裂纹扩展区:就是形成疲劳裂纹后慢速扩展的区域。
它就是判断疲劳断裂的最重要的特征区。
它以疲劳源区为中心,与裂纹扩展方向垂直呈半圆形或扇形的弧线,也称疲劳弧线呈“贝纹状”。
疲劳弧线就是因机器运转时的负载变化、反复启动与停止而留下的塑性变形痕迹线。
金属材料的塑性好、工作温度高及有腐蚀介质存在时则弧线清晰。
3-3 瞬时断裂区:由于疲劳裂纹不断扩展使机件的有效断面减小,因此应力不断增加直至截面应力达到材料许用应力时,瞬时断裂便发生了。
铸造球铁球化的深度讲解和控制
碳主要结晶成游离状态的石墨。其中碳主要 以片状石墨形状存在，断口为暗灰色，常见 的铸铁件多数是灰口铸铁。
球化的基本知识和控制
一、球化的基本知识 2、铸铁的基本种类 b) 球墨铸铁
铁水在浇注前经球化处理，其中碳大部分或全部以 球状石墨形式存在，机械性能高，生产工艺比可锻 铸铁简单，近年来日益得到广泛的应用。
球化的基本知识和控制
一、球化的基本知识 4、球铁的基本要求和标准(续) GMW10中球铁的机械性能要求
球化的基本知识和控制
一、球化的基本知识 4、球铁的基本要求和标准(续) 对于球铁化学成份和机械性能标准的分析可以得出以下结论： 影响球铁拉伸强度规格的化学成份主要是： Cu Mn
提高Cu和Mn的含量，球铁的拉伸强度和硬度都将上升，不同之处在于： Cu对于硬度的影响较小，而Mn对于硬度影响较大。 随着拉伸强度，硬度的提高，材料的延伸率将下降。 案例：目前泛亚开发中的C14曲轴要求在700拉伸强度下达到6以上的延伸 率，供应商无法达到，sourcing困难。
F‘
共析转变发生727℃（水平线PSK），反应 式为： K‘
共析转变的产物是铁素体与渗碳体的机械 混合物。 同理，奥氏体在738度将产生共析转变， 产物是铁素体与石墨。 C 图1
C
球化的基本知识和控制
一、球化的基本知识 1、基础知识储备（续）
Fe-C相图分析－－－特性线
F‘
ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。 奥氏体的最大溶碳量是在1148℃时，可以溶解 2.11%的碳。而在727℃时，溶碳量仅为 0.77%，因此含碳量大于0.77%的合金，从 1148℃冷到727℃的过程中，将自奥氏体中 析出渗碳体，这种渗碳体称为二次渗碳体 (Fe3CII)。 如果是按照Fe-C图，则从奥氏体 中析出石墨，被称为为二次石墨。 图1 K‘
铸铁断口形状
铸铁断口形状铸铁是一种经济实用、耐磨、抗压、耐腐蚀的材料，被广泛应用于各种机械、建筑、冶金、石化、轨道交通等领域。
铸铁的断口形状可以反映出铸铁的组织结构和性能特点，因此铸铁断口形状的分析对于铸铁的质量控制和材料研究具有重要意义。
铸铁的断口形状主要有以下几种：1.灰口铸铁的断口形状：灰口铸铁的断口呈现出灰白色、粗糙的表面，有许多小孔和不规则的晶粒结构。
这是因为灰口铸铁中石墨的形态为片状或球状，这些石墨片或球状石墨会在铸造过程中受到应力的作用而断裂，形成断口表面的不规则形状。
2.球墨铸铁的断口形状：球墨铸铁的断口呈现出光滑、银白色的表面，有许多球状的凸起。
这是因为球墨铸铁中的石墨形态为球状，这些球状石墨会在铸造过程中受到应力的作用而断裂，形成断口表面的球状凸起。
3.白口铸铁的断口形状：白口铸铁的断口呈现出光滑、白色的表面，没有明显的晶粒结构。
这是因为白口铸铁中的石墨形态为薄片状，这些薄片状石墨会在铸造过程中受到应力的作用而断裂，形成断口表面的光滑白色。
4.黑心铸铁的断口形状：黑心铸铁的断口呈现出黑色、粗糙的表面，有许多小孔和不规则的晶粒结构。
这是因为黑心铸铁中的石墨形态为团状，这些团状石墨会在铸造过程中受到应力的作用而断裂，形成断口表面的不规则形状。
铸铁的断口形状不仅可以反映出铸铁的组织结构和性能特点，还可以帮助工程师判断铸铁的缺陷和质量问题。
例如，灰口铸铁的断口表面有许多小孔和不规则的晶粒结构，可能是因为铸造温度过低或冷却速度过快导致的，这种情况下需要调整铸造参数以提高铸铁的质量。
而球墨铸铁的断口表面有许多球状的凸起，则可能是因为铸造温度过高或冷却速度过慢导致的，这种情况下也需要调整铸造参数以提高铸铁的质量。
铸铁的断口形状对于铸铁的质量控制和材料研究具有重要意义，需要工程师们在铸造过程中加以注意和分析，以确保铸铁的质量和性能。
球铁生产中的几项技术处理
球铁生产中的几项技术处理球铁生产中的几项技术处理摘要：讨论了球铁的熔炼方案和炉料选择；分析了脱硫方法与工艺；阐述了球化剂、孕育剂中元素的作用，选用原则及使用要点。
近年来，我国球铁产量增长很快，由1998年的143万吨增至2001年的近300万吨，它在铸件总产量中约占21%，高于一般国家而比工业发达国家低8~10%。
随着制造业的世界性转移，未来我国作为世界加工业工厂的地位必将加强，我国球铁的产量和品质也将会有更大的发展。
本文仅简述球铁生产中的几项技术处理。
一、熔炼方案优质球铁需由高温、低硫、洁净，且化学成分准确而少干扰元素的原铁液为保障。
高温熔炼有利于铁液的洁净化。
因此，足够高的熔炼温度和必要的出炉温度十分重要。
除了市政类铸件外，机械、动力、容器和离心铸管等类球铁件，应采用感应熔炼或冲天炉－感应炉双联。
由于焦炭价格上涨和环保方面的考虑，新建铸造厂采用感应炉熔炼的倾向十分明显。
感应炉熔炼元素烧失少，成分把握准确，过热温度容易调整。
由于电磁搅拌作用，铁液的含气量、含氧量较低，成分与温度的均匀度高，也没有冲天炉的焦炭增硫。
不过，电磁搅拌清除固体夹渣物的作用并不彻底。
因此，感应炉熔炼仍希望炉料尽量洁净。
与工频炉相比，中频炉的电效率和热效率高，熔炼时间短，用电省，占地较少，投资较低，无需开炉块（或留液），生产灵活，改变铁液牌号方便，优势明显。
随着变频器功率的大型化，原来工频炉在大容量炉子中的地位也将为中频炉所替代。
当今，中频炉的发展方向是：①提高吨功率，实现高效、快熔。
②功率连续可调，适应不同升温和保温能力的需要。
③变频。
如在熔化期用高频率，提升功率快速熔化；在后期用低频率，以加大搅拌力，促进增碳和合金成分的调整。
④双供电，即一套电源两个换炉开关，分别联系两个炉体。
在两炉间任意分配功率，实现两炉同熔，或一熔一保，确保随时能向浇注线提供铁液。
也可以在一炉熔炼的同时另一炉进行炉衬烧结。
⑤自动化管理。
如对熔化保温，炉衬预热烧结实行可编程自动化作业，对电源和炉衬状况进行诊断和故障处理等。
铸铁试件断口平面特征
铸铁试件断口平面特征铸铁是一种常见的金属材料，广泛应用于机械制造、建筑工程等领域。
在铸铁制品的生产过程中，常常需要进行断口观察和分析，以了解其内部质量和性能。
铸铁试件的断口平面特征是评估其质量和性能的重要依据之一，通过观察断口平面可以获取很多有用信息。
铸铁试件的断口平面通常呈现出不同的形态，例如平整、粗糙、呈韧窝状等。
平整的断口平面表明铸铁试件具有较好的韧性和延展性，而粗糙的断口平面则可能意味着试件存在裂纹或疲劳损伤。
韧窝状的断口平面则表明试件具有较好的抗冲击性能。
因此，通过观察断口平面的形态可以初步判断铸铁试件的性能特点。
铸铁试件的断口平面还可以反映出其组织结构和晶粒形貌。
在断口平面上可以观察到铸铁试件的晶粒大小、形状和排列方式。
晶粒细小且均匀的试件通常具有较高的强度和硬度，而晶粒粗大或呈片状的试件则可能存在晶粒偏析或过度冷却等问题。
通过对断口平面上晶粒的观察，可以更深入地了解铸铁试件的组织结构特征。
铸铁试件的断口平面上还可能出现夹杂物或气孔等缺陷。
夹杂物是指金属中夹杂的杂质，可能会对试件的力学性能和耐蚀性能造成影响。
气孔是指金属内部的气体孔洞，可能会导致试件的强度和密封性下降。
通过观察断口平面上的夹杂物和气孔等缺陷，可以评估铸铁试件的质量状况，并采取相应的改进措施。
总的来说，铸铁试件的断口平面特征是评估其质量和性能的重要依据之一。
通过观察断口平面的形态、组织结构和缺陷等特征，可以全面了解铸铁试件的内部情况，为生产和使用提供参考依据。
因此，在铸铁制品的生产和检测过程中，对断口平面进行认真观察和分析是非常必要的。
只有通过科学的方法和仔细的观察，才能确保铸铁试件具有良好的质量和性能，满足工程和产品的要求。
金属断裂断口分析
4
沿晶断裂
沿晶断裂的裂纹沿晶界扩 展，大多数是脆性断裂， 由晶界上的一薄层连续或 不连续脆性第二相、杂质 物，破坏了晶界的连续性 所造成，也可能时杂质元 素向晶界偏聚引起的。 应力腐蚀、氢脆、回火脆 性、淬火脆性、磨削裂纹 等大都是沿晶断裂。
5
解理断裂
金属材料在一定的条件下 （如低温） ，当外加正应力 达到一定数值后，以极快 速率沿一定晶体学平面产 生的穿晶断裂，因与大理 石断裂类似，古城此种晶 体学平面为解理面。家里 面一般是低指数晶面或表 面能最低的晶面。 例如： 晶体结构为 bcc： Fe、 解理面为｛001｝hcp 的主 要解理面为｛0001｝ 金属材料在切应力作用下 沿滑移面分离断裂，其中 又分滑断（纯剪切断裂） 和微孔聚集性断裂。纯金 属尤其是单晶体金属常产 生纯剪切断裂，其断口呈 锋利的楔形（单晶体金属） 或刀尖形（多晶体金属的 完全韧性断裂） 。这是纯粹 由滑移流变所造成的断 裂。微孔聚集性断裂是通 过微孔形核、长大聚合而 导致材料分离的。由于实 际材料中常同时形成微 孔，通过微孔长大互相连 接而最终导致断裂。
6
பைடு நூலகம்
剪切断裂
断口形貌
1
韧性断裂
2
脆性断裂
脆性断裂是突然发生的断 裂，断裂前基本上不发生 塑性变形，没有任何征兆， 因而危险性很大。脆性断 裂的断裂面一般与正应力 垂直，断口平齐而光亮， 常呈放射状或结晶状。
3
穿晶断裂
多晶体金属断裂时，裂纹 扩展的路径可能是不同 的。穿晶断裂的裂纹穿过 晶内。穿晶断裂可以是韧 性断裂（如韧脆转变温度 以上的穿晶断裂） ，也可以 是脆性断裂（低温下的穿 晶解理断裂）
序 号
断裂类型
断裂特征及断口特征 金属材料断裂前产生明显 宏观塑性变形的断裂，是 一种缓慢撕裂的过程，在 裂纹扩展过程中不断地消 耗能量。韧性断裂的断裂 面一般平行于最大切应力 并与主应力呈 45 度角。用 肉眼或放大镜观察时，断 口呈纤维状，灰暗色。纤 维状是塑性变形过程中微 裂纹不断扩展和相互连接 造成的，而灰暗色则使纤 维断口表面对光反射能力 很柔弱致。
球墨铸铁件生产过程中的质量控制
铁水表面出现 ＜５ ｒｍ的小火 苗，同时瞬间出 ０ ａ 现 的这种火苗有 ６ 表 面 除 有 ５ ８个 高 度 ＜４ ｒｍ 的 小 火 苗 － ０ ａ 外 ＞６ ０秒 球化良好 还同时出现 ２ ３个高度＞８ｒｍ的大火茁 — ０ ａ
，
根据三角试 片及断面情况来 判定球 化状况 ，我仃】 的经验是据试片 入水冷却时发出的声音进行辅助判断。球化 良好时过冷度 火， 试片入水 时会发出脆 裂声 ， 反之则入水 时无声 。除此 以外 ， 还可通过以下三个方 面来判断。 试片两边凹陷 ； ① ②断 口为银 白色， 品粒较细， 试片尖端有门 Ｌ， １ 中问有缩松 ， 敲击 声 与钢相似 ； 断 口浸水取 后 ， 明显 电石 气 ③ 有 味 。Ｉ述状况均表明球化很好 。若断 口有大量 肉眼可见的密集黑点 ， ： 且 断 口银白色逐渐变成灰黑包 ，在断 口不 同位置 ｌ可看到块状或 不完整 条状发光体 ， 这些均表明球化不 良或球化 衰退 。 （ 孕育处理是生产球铁件 的重要环节 铁水经孕育处理后， 晶 ５） 结 核心愈 多， 球愈小 ， 成长时间愈短 ， 产生畸变的机会也越短， 其圆整度 Ａ 然越好 ， 育作用对消除铸件溥断面的白口是必不可少 的措施 一 孕 因孕育 而导致球化衰退的特征是金相组织 中出现分散的片状石墨且有大量渗 炭体 我们的经验是 孕育处理后 ，铁水 【镁和稀土会逸 失，一冉 超过 ｆ １ 殳 １— ５ ０ １ 分钟后 ， 球化元素含量便将下降到球化衰退的愉界范嗣 ， 就是说 球化处理后的铁水必须尽快浇注：此外要加强孕育处理 。 ３结 束 语 生产经验表明， 当我们没有采取上述 措施 时， 常导致球铁件 内在 经 质量不稳定 ， 而当我们 自觉采用 ｝述措施 时， ＝ 生产 出来的球铁件 内在质 量优 良并 目稳 定 ． 参考文献
铸铁试件断口平面特征
铸铁试件断口平面特征
铸铁试件断口平面特征是指在进行材料破断测试时，铸铁试件断裂后所呈现出来的截面形态和特征。
这些特征可以提供有关材料性能和结构的重要信息，因此对于研究和评估材料的质量和可靠性非常重要。
一般情况下，铸铁试件的断口平面特征可以分为三类：脆性断口、韧性断口和混合型断口。
脆性断口通常表现为光滑、平整的表面，呈现出明显的晶粒状结构。
这种类型的断口通常发生在低温下或应力集中区域，这说明材料在受到较小应力时就会发生破坏。
脆性断口还可能与材料中存在缺陷或不均匀组织有关。
韧性断口则呈现出一些拉伸条纹和微小凹槽等特征，表明材料在受到高应力时仍能够承受一定程度的变形。
这种类型的断口通常发生在高温下或者应力分布比较均匀的区域。
混合型断口则是脆性和韧性断口的混合体，通常表现为一些明显的晶粒状结构和拉伸条纹。
这种类型的断口可能发生在材料中存在多种应力状态或者存在多种组织结构的情况下。
除了以上三种类型外，还有一些其他的断口形态，如疲劳断口、腐蚀断口等。
这些不同类型的断口特征可以提供有关材料性能和结构的重要信息，因此对于材料工程师和科学家来说是非常有价值的。
总之，铸铁试件断口平面特征是评估材料质量和可靠性的重要指标之一。
通过对不同类型的断口特征进行分析和研究，可以更好地了解材料在不同应力状态下的行为，并为设计更高质量、更可靠的材料提供参考。
含镍QT400-18L低温断裂方式的分析
含镍QT400-18L低温断裂方式的分析路焱【摘要】示波冲击试验可以记录试样在断裂过程中载荷与冲击吸收功的完整信息,反映试样在承受冲击过程时载荷与时间的变化规律.使用示波冲击试验机测试了含镍QT400-18L试样低温环境下的冲击韧性,记录不同含镍量的球铁试样-40℃低温下的裂纹形成功与裂纹扩展功以及冲击载荷与时间的波形图.研究结果表明,不同含镍量QT400-18L试样发生不同形式的断裂,其中,镍的质量分数为0.70%的试样发生弹性变形的过程最长,弹性变形所需能量的消耗最大,断裂方式为韧性、脆性的混合型断裂,因此其低温冲击韧性最大,αkv可达到20.87 J/cm2.【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》【年(卷),期】2010(029)002【总页数】5页(P171-175)【关键词】示波冲击试验;QT400-18L;低温冲击韧性;断裂方式【作者】路焱【作者单位】内蒙古工业大学,材料科学与工程学院,内蒙古,呼和浩特,010051【正文语种】中文【中图分类】TG113.25示波冲击试验机用以测试金属材料的冲击韧性,通过冲击载荷传感器测量,高速数据采集卡记录载荷、冲击吸收功、屈服力等数值.该系统可以把冲击吸收功分解为裂纹形成功和裂纹扩展功,并建立载荷-时间、能量-时间、位移-时间的关系曲线,这些曲线能以一种较为直观的方式对金属材料的强度和韧性指标进行反映,借助该曲线可以对材料的韧性进行分析和研究[1～4].冲击韧性是衡量球墨铸铁使用性能的一个重要的指标.球墨铸铁在实际生产应用中,经常会遇到低温工作环境,这样就对球墨铸铁的低温冲击韧性有很高的要求.本试验使用示波冲击试验机对不同镍含量的QT400-18L试样测试了其在 -40℃环境下的冲击韧性,结合对试样的载荷-时间波形图和断裂方式共同研究分析,以期得到球铁断裂行为与冲击韧性之间的关系.试验原料采用Q10生铁、Q235A废钢、低稀土硅铁镁合金、75硅铁、纯镍.配料时,严格控制硅、锰、磷的上限,加入 Ni的量 (质量分数)分别为0.40%,0.70%,1.0%.QT400-18L试样的具体成分如表 1所示,选择两阶段石墨化退火工艺进行热处理.冲击韧性测试在 JBH-300型示波冲击试验机上进行.试样为V型缺口夏比冲击试样,尺寸为10 mm ×10 mm×55mm,其形状尺寸如图 1所示.每组试样为 3件,模拟 -40℃低温环境进行测试,最终取其算术平均值.2.1 载荷-时间波形图分析图 2所示为加Ni热处理态球铁 -40℃条件下的低温冲击韧性.由图 2可知,在 -40℃条件下,热处理态QT400-18L试样冲击韧度的变化规律如下:Ni的加入量为 0.10%～0.70%(质量分数),其低温冲击韧性随着 Ni加入量增加而升高.Ni的加入量 > 0.70%(质量分数)以后,其低温冲击韧性随着 Ni加入量增加而降低.镍的加入量为 0.70%(质量分数)时,其低温冲击韧性最好,αkv分别为31.9,28.2, 20.7和 13.7 J/cm2.图 3所示为 -40℃条件下,不同镍加入量热处理试样冲击载荷与作用时间的波形图.如图 3(a)所示,-40℃下,不加镍热处理试样受到冲击载荷的变形过程起始阶段,受屈服力较大,载荷与时间曲线有一个明显的上升趋势,试样先发生弹性变形,弹性变形时间为 0.075 s.试样所受到的载荷增大至18 kN,试样在此阶段发生塑性变形,塑性变形0.065 s时,试样所承受的冲击载荷达到最大,约为27 kN,试样开始断裂.试样被冲断后,载荷不再增加,随时间的延长,载荷急剧降低,最后降为 0,整个冲击过程时间为0.25 s.如图 3(b)所示,镍的质量分数为 0.40%的热处理试样,整个冲击过程的变化曲线不平稳.冲击的起始阶段,载荷随时间的增加而增大,试样在载荷下发生弹性变形,弹性变形时间为 0.10 s时,冲击载荷达到 16 kN后出现缓慢的降低,试样发生塑性变形,所需时间为 0.05 s,冲击载荷急剧增加,达到峰值18.2kN.此后冲击载荷开始降低,试样被冲断,塑性变形结束,冲击过程时间约为 0.25 s.如图3(c)所示,镍的质量分数为 0.70%的热处理试样在冲击的起始阶段产生弹性变形,载荷随时间的增加而增大,弹性变形阶段为 0.20 s,塑性变形随之产生,冲击载荷达到 20 kN后出现缓慢的降低后急剧增加,达到峰值27 kN,塑性变形阶段为 0.10 s.此后冲击载荷开始降低,试样开始断裂.冲击过程时间约为0.30 s.如图 3(d)所示,镍的质量分数为 1.0%的热处理试样,整个冲击过程的变化曲线依然是先增加后减小的变化规律.冲击的起始阶段,载荷随时间的增加而增大,产生塑性变形,此阶段时间为 0.080 s时,在继续增加的载荷作用下,塑性变形会在冲击后期出现,此阶段所需时间 0.070 s.此后冲击载荷开始降低,试样被冲断.冲击过程时间约为0.35 s.同时图 3中曲线表明,在较低应力下,含镍热处理球铁试样塑性变形阶段都非常短,应力达到一定水平时,塑性变形才开始出现.在弹性变形范围内,球铁在应力作用下,变形量较小,这是因为球铁中有石墨存在,石墨体积变化所消耗的弹性变化能小所致.随着应力的提高,弹性变形增大,因此在冲击载荷-时间曲线上,有一段载荷随时间降低的线性关系.进入塑性变形阶段,由于在较低温度下,球铁试样的脆性倾向增加,并且热处理没有使其中的碳化物完全分解而有极少部分残留在组织中,使得组织强度较大,所需应力值增加.在载荷增加到足够大的情况下,试样开始发生宏观断裂,变形过程完成.2.2 QT400-18L断裂方式分析本研究将载荷-时间波形图结合球铁的显微组织,分析球铁的断裂机理以及Ni对球铁低温冲击韧性的影响.金相试样的制备取自冲击试样,试样冲断后截取试样底部打磨、抛光、腐蚀,在光学显微镜下观察组织.图 4为不同Ni加入量QT400-18L试样的显微组织对比.从图4中可知,镍为质量分数为 0.40%,0.70%和 1.0%的热处理球铁的显微组织中,晶粒得到了明显细化,石墨球的形状更加圆整,热处理有效地减少了游离的碳化物及石墨颗粒及晶界上的杂质浓度,使晶界总面积增加,使绝大部分基体组织成为铁素体,基本消除了珠光体.并且由于组织中含有极少量的残余奥氏体组织,根据球墨铸铁金相检验国家标准GB9441-88,图中圆圈所标出的细长条白色条状物即为残余奥氏体,残余奥氏体的体积分数大约为 2%～5%.这种组织与铁素体构成复合相,可以减少晶界断裂的趋势,有效地抵抗断裂应力,在一定程度上延缓脆性断裂的发生.反映在载荷-时间曲线上就是载荷在很短的时间内有一个较为平缓的增加,弹性变形阶段大约为≤1.0 s,而且,加镍试样整个冲击过程的时间也比无镍试样要长,说明加镍试样在冲击载荷下发生弹性变形的过程要比无镍试样更长,冲击过程中的能量,尤其是弹性变形所需能量的消耗也很大,因此加镍试样的低温冲击韧性要优于无镍球铁试样.图 5所示为 Ni加入量为 0.40%,0.70%和1.0%(质量分数)试样热处理后的断口形貌.从图 5 (a)可以发现,原球墨铸铁的断口表面凹凸不平,有的石墨球在冲击过程中已经脱落,造成断面出现一些空洞;有些则保留在对应的断口上,保留下来的石墨球通常形状比较圆整.在石墨球剥落形成的空洞周围,有近似于“撕裂棱”的结构相互联结成网状,并且在“撕裂棱”上分布有大小不一的韧窝结构.这就说明了热处理态的含镍球墨铸铁,在承受冲击载荷时不仅仅只发生脆性断裂,还混合着韧性断裂;但是,除了这些还有极少量的韧窝存在,韧窝形状并不规则,同时还有韧窝中心向四周扩展的辐射状河流花纹,初步具有了准解理断口的微观组织形态.因此,这个成分的热处理态试样冲击断口在宏观上表现为结晶状,颜色比晶粒状断口要稍微暗一些,断口较为平齐,断口晶粒细密,还是可以认为该种断裂方式属于脆性断裂.由于伴随极少量韧性断裂,因此低温冲击韧度要比纯脆性断裂的试样要好.由图 5(b)可知,该试样断口存在着少量的河流状花纹,其余部分多为石墨球,断口表面不平整,有的石墨球在冲击过程中已经脱落,造成断面出现一些孔洞,这说明石墨球与基体的结合强度较低.这些孔洞不应该被看作无强度的空洞,并且界面在开裂后及石墨剥落留下的孔洞是以球形的应力集中速度最小,所以体积很小的石墨球剥落会使球墨铸铁在断裂时的裂纹扩展缓慢,在一定程度上起到了缓解基体破坏速度的作用.而且石墨球周围存在着一些韧窝,韧窝面积较小,深度较浅,分布均匀,形状较图 5(a)规则,多成圆形.在宏观上表现为有塑性变形征兆,但是冲断后,断口依然呈现结晶状,颜色光亮度与图 5(a)相比相差不大,呈暗灰色,断口不是非常平齐,包含有脆性、韧性断裂的特点,属于两者的混合型断裂.因此其冲击韧度值要比前两者都要高一些.从图 5(c)可知,该成分的试样断口形貌视野内绝大多数都是河流状花纹,并且有明显的解理台阶,说明是典型的脆性断裂方式.这是因为随着镍含量的不断增加,在球墨铸铁凝固时,有渗碳体或者是第二相质点存在,这些物质的存在会极大破坏材料的塑性、韧性.这也是当含镍量增加时,材料的低温冲击韧性不升反降的原因所在.据研究表明[5,6],试样在 -40℃承受冲击时的冲击总功分解成裂纹形成功和裂纹扩展功,当裂纹扩展功远大于裂纹形成功时,试样处于韧性断裂状态;当裂纹扩展功小于裂纹形成功时,试样处于脆性断裂状态;当裂纹扩展功与裂纹形成功相当时,试样处于混合断裂状态,该结果与按标准测定的剪切面积百分数有良好的对应关系.示波冲击试验记录了试样的裂纹形成功和裂纹扩展功,如表 2所示.由表 2可知,-40℃条件下,镍的质量分数为0.70%的试样断裂方式为韧、脆混合型断裂;加入镍的质量分数为0.40%和 1.0%的 QT400-18L试样,其断裂方式为脆性断裂.(1)-40℃条件下,加入镍的质量分数为0.40%和 1.0%的 QT400-18L试样,其断裂方式为脆性断裂;镍的质量分数为 0.70%的试样断裂方式为韧、脆混合型断裂. (2)镍的质量分数为 0.70%的试样发生弹性变形的过程最长,其值为 0.30 s,弹性变形所需能量的消耗最大.(3)在 -40℃时,镍的质量分数为 0.70%的试样其αkv=20.87 J/cm2,可以满足QT400-18L在高寒地区的服役条件.【相关文献】[1] 徐连勇,荆洪阳,霍立兴,等.基于局部法由示波冲击试验对断裂韧性的预测[J].天津大学学报 (自然科学与工程技术版),2005,3(89):753-759.[2] 何则荣,纪松,林国雄.铸铁中石墨及石墨-基体界面边区力学行为[J].金属学报,1993,29(4):B153-B156.[3] He Z.R,Lin G.X,Ji S.A new understanding in the relation among microstructure micro interfacial mechanical behaviours and macro mechanical properties in cast iron[J].Materials Science and Engineering,1997,(A234): 161-164.[4] He Z R,Lin G X.Micromechanical behaviour and macromechanical properties of cast iron[J].Acta Mechenica Solid Sinica,l995,8(Special issue):540-548.[5] 马建坡,徐科.用示波落锤试验法评价 14MnVTiRe钢的韧脆断裂行为 [J].材料开发与应用 ,2003, (02):1-3.[6] 原田昭治,小林俊郎.球墨铸铁的强度评价[M].沈阳:东北大学出版社,2002.。
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球铁试棒断口分析
问题提出：球铁试棒铸件成分基本相同,但两者的抗拉强度、延伸率相差很大,断口有两个不同断面形貌;
（1）断口明显有两个区域：白的具有金属光泽,黑的好像石墨的颜色;断口比较平齐,约2／3部分呈亮色结晶状组织,1／3部分呈灰色纤维状组织;
（2）断口断裂面全部为灰黑色;
猜想：铸件成分基本相同,显微组织也基本相同,怀疑与成分无关,是力学上引起的上述现象;
1.正常断口
当试样的珠光体量在20～30% 时,其断口宏观表现为暗灰色,断面上分布着亮点,其分布特征是：从裂纹起源区到快速扩展方向,亮点依次增多;它对应的力学性能表现为：抗拉强度= 500MPa左右,延伸率在l5～I 8% 之间;所检测试样的力学性能为Rm=520MPa,A=% ;电镜观察结果：呈暗灰色,裂纹起源区为韧窝,断口中部区为韧窝+ 解理,而裂纹快速扩展区,也即亮点区,为解理断口;光镜观察结果,暗灰区
与亮点区基体组织分布一样;
当珠光体含量≥40％时,断口基本上呈银亮色;此时试样的强度高,伸长率较低;所考察断口对应的力学性能为Rm=570MP A=％,从断口检测结果可见银亮色断口在宏观上呈解理形貌;从上述试验结果可知,在正常球化级别的条件下,随着珠光体含
量的增加;拉伸试样断口宏观上由暗灰色向银亮色发展,微观由韧窝为主的断裂机制向以解理为主的断裂机制发展;
2.异常断口
若基体中存在少量的缩松或拉伸夹具偏倾等情况,在拉应力处也会产生灰斑;
含有较多磷共晶和缩松的黑斑断口;这类断口的宏观特征为：黑斑区内呈现放射状块状物,对该区域作大面积能谱分析-磷含量高达%;缩松一般伴随着磷共晶产生;
厚壁球铁断口与基体组织及力学性能存在对应关系,随着组织中珠光体量的增加,断口上由暗灰色向银亮色发展,微观上则由韧窝断裂向解理断裂发展,当然,力学性能方面是伸长率下降,强度增加;灰斑是由于非包含物和缺口效应引起的应力集中所致,灰斑区微观形貌为韧窝,它对力学性能影响不大;黑斑是试样中包含物,如变异石墨、夹杂、磷共晶等引起应力集中所致,它使力学性能特别是伸长率大幅度下降,黑斑的出现标志铸造缺陷的产生;
球墨铸铁灰斑断口分析
摘要：用电镜检验了球铁断口中灰斑区的形貌与化学成分,并探索了灰斑区的形成机理;通过对灰斑区的研究,论证了一些影响球铁强度的因素,还发现了球铁中Al成分的偏析;
关键词：球墨铸铁；断口分析；灰斑
球墨铸铁断口通常为银灰色,但在某些球墨铸铁宏观断口中除有正常的银灰色区域外,还可观察到色泽灰暗的灰斑区;图1是一些存在有灰斑区的试样断口;
图1有灰斑断口的拉伸试样
断口中这种灰斑区域,一般来讲,并非铸造缺陷,也非组织缺陷;在GB5601-85“铸造名词术语”中也未对此命名,因而暂称为“灰斑断口”;
1 概述
在球墨铸铁拉伸试样,冲击试样及球铁铸件的断口中都可能出现灰斑区;经实验室长期对拉伸试样断口观察分析的结果,发现灰斑断口出现具有以下几个特征点
断口中,灰斑区的大小、分布位置没有一定规律,可能出现在试样断口的中心,也可能出现在断口边沿,并多数出现在断口边沿;
有灰斑区的试样与无此现象的试样相比,通常拉伸强度较低,而延伸率较高;
灰斑断口多出现在铁素体珠光体混合基体的球铁中;
对同一试样的灰斑区与银灰色区同时作金相检查,并未发现两者之间出现金相组织上的差别,也即石墨形态、数量、分布与基体组织均无明显变化;在两个区域上取样化验,也未发现化学成分的明显差异;
正因为常规检验无法查明灰斑区的形成原因,因而进一步作了扫描电镜观察及电子探针分析;
2 实验方法与结果
对牌号为QT600-3球铁拉伸试样灰斑断口用台式扫描电子显微镜观察;图2为100×下的断口形貌比较,图中黑色圆球为石墨,明显可以看出灰斑区中的石墨多于银灰色区中的石墨,并且比较密集;图3为500×下的断口形貌比较,在灰斑区中微观断裂特征为石墨球周围形成的大韧窝和基体中形成的小韧窝,属于微孔聚集型的韧性断裂;在银灰色区中微观断裂特征出现河流花样,属于脆性解理断裂;
图3断口扫描电镜照片 500×
对QT600-3灰斑断口进行元素含量定量测定,结果如表1所示;从表1中可以看出,Al在灰斑区中含量明显高于银灰色区;
3对实验结果的讨论与分析
断裂过程分析
灰斑断口试样的整个断裂过程可以理解为试样中的夹渣、表面刀痕等作为裂纹源,球状石墨看成显微空洞,随着应力增加,裂纹沿着石墨球之间发展,并使石墨球之间的金属基体产生撕裂或剪切断裂,从而形成韧窝断口形貌,此一时期为韧性断裂;
当夹渣出现在试样心部时,则在试样中心产生灰斑区;在试样边沿的灰斑区则可能由夹渣或刀痕作为裂纹源而引起;所以,灰斑区的分布具有随机性;当韧性断裂断口尺寸增大到某一临界时,裂纹以极快速并呈近似直线方向扩展,发生脆性断裂;
由于韧性断裂是在较低应力状态下产生,并且裂纹扩展速度缓慢,所以出现带灰斑区断口试样拉伸强度较低,而延伸率较高的现象,并由此可知,减少球铁中夹渣,提高球铁球化等级,细化石墨和提高试样表面粗糙度都可以使韧性断裂在较高应力水平下产生,从而提高球铁的拉伸强度;
断口中色泽差异的原因
韧性断裂中裂纹走向是在石墨球之间进行,因而可将不同晶面的石墨球裸露出来,使石墨裸露程度较多,这是造成宏观观察中该区色泽灰暗的原因之一;
在银灰色区中,是脆性穿晶断裂,断面为解理面或解理台阶,石墨的裸露程度与普通金相照片比较接近,显得较为稀疏;另外,由于韧窝断口对光的散射较解理断面多,也是灰斑区色泽较暗的原因之一;
铝元素的偏析
韧窝中的石墨往往易于剥落,从而暴露出石墨相与金属基本相的相界面;在灰斑区中,用电子探针定量分析化学成分时,这种相界面的成分占有一定比例;而在银灰色区,因是解理断面,电子探针分析的成分可以认为是金属基体成分;
从表1可知,两者之间主要是Al成分的差异;因而可以认为Al在石墨与金属基体的相界面上产生偏析;为了减少这种偏析,在球铁生产过程中,应使用低铝含量的球化剂与孕育剂;
4 结论
灰斑不是一种铸造缺陷,而是两种断裂方式引起的色泽差异;断口中灰斑区的出现是由于在该区域石墨裸露较多,以及韧窝形貌对光线散射较多的缘故;通过对灰斑断口的研究,论证了可以通过以下途径来提高球铁的功能;
减少球铁中夹渣,提高球铁球化等级,细化石墨和提高试样或工件的表面粗糙度,都将提高球铁的拉伸强度;
球铁中的Al元素易在石墨与金属基体相界面上产生偏析;因而使用低Al含量的球化剂与孕育剂对提高球铁性能有利;。