簡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的的生產(chǎn)成本，目前已廣泛用于機械制造、冶金、礦山、化工、石油、造船等各個領(lǐng)域。為了消除球鐵在冶煉鑄造中產(chǎn)生的缺陷，提高強韌性，自1931年首次提出壓力加工可以改善球鐵的力學性能以來，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以及水平連鑄球鐵棒材的生產(chǎn)，越來越多的學者開始對球鐵塑性變形進行研討。但是，目前球鐵的變形機制仍然不十分明確，尤其是對球鐵變形過程中石墨形貌的演變尚存爭議。而以塑性加工為目的，Dubinskii研討了球鐵的頂鍛和沖壓工藝對材質(zhì)力學性能的影響。張作梅、張青來以及季誠昌等人分別對球鐵進行了鍛造和軋制試驗，并取得了一定的成果，但這些工作尚處于嘗試性的試驗研討階段，并沒有得到穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝制度。
對于鍛造，軋制，沖壓等不同的加工方法，相應(yīng)的加工速率會有明顯的差異，但是迄今為止很少有關(guān)于應(yīng)變速率對球鐵熱塑性影響的報道。本文用熱壓縮物理模擬實驗，針對球墨冶煉鑄鐵的熱塑性變形，重點剖析了球墨冶煉鑄鐵塑性變形過程中應(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)變速率對球鐵高溫塑性的影響機制，對制定穩(wěn)定塑性加工工藝提供重要的理論依據(jù)。
1實驗材料及方法實驗采用牌號為QT450-10的球墨冶煉鑄鐵，其化學成分。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號砂紙打磨試樣兩底面。
在Gleeble-1500熱模擬機上進行高溫軸向壓縮實驗，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)實驗經(jīng)驗預(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)肉眼可見裂紋時的壓縮程度表示塑性指標，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)實驗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Π肭虚_，制備金相試樣。在MEF-3型光學顯微鏡（OM）上觀察組織。
2實驗結(jié)果與討論
2.1應(yīng)變速率對球鐵熱塑性的影響不同應(yīng)變速率下的極限壓下量對比情況，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。這是因為在高溫區(qū)變形，變形速率越高，變形時間就越短。一方面，熱量散失的機會減少，因而溫度效應(yīng)越大，就會促使晶間的低熔點物質(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)使同時運動的位錯更多，并且要求位錯運動的速度增大。而位錯運動的速度又是和剪應(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，當然就意味著屈服強度的增加。研討表明，在許多情況下，變形速率對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，金屬就會更早地到達斷裂階段，也即意味著金屬塑性的降低。
此外，增加變形速率，由于沒有足夠的時間進行回復(fù)和再結(jié)晶，而使金屬的塑性降低。一般就材料性質(zhì)來說，化學成分越復(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。當變形速率增加時，會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，在熱成形時都表現(xiàn)出這種趨勢，而低合金結(jié)構(gòu)鋼的塑性受變形速率的影響較小。
對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，所以球鐵的塑性對于變形速率具有相當高的敏感性，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采集到瞬時壓力和壓頭位移數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻中提供的計算得到QT450-10在950℃時，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，沒有足夠的時間發(fā)展軟化過程，所以在應(yīng)變速率為10s－1時得到的應(yīng)力峰值遠遠高于較低應(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)變增加均呈直線上升趨勢，真應(yīng)力達到峰值之后開始減小，說明發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶過程，之后因為位錯堆積，開動位錯運動需要更多的能量從而導致應(yīng)力繼續(xù)增加。這種真應(yīng)力隨真應(yīng)變增加而增加的現(xiàn)象主要是因為變形中產(chǎn)生的位錯堆積不能及時通過位錯滑移、晶內(nèi)位錯攀移或回復(fù)和再結(jié)晶等軟化機制消除，換言之，變形金屬的硬化速率超過軟化速率，結(jié)果使變形抗力升高，而當軟化作用增強時，真應(yīng)力又隨之減小。
應(yīng)變速率對球墨鑄鐵熱塑性的影響
前文提到，增加變形速率將導致熱效應(yīng)增加，可見，變形速率對真應(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硬化與軟化的相對強度而定。
QT450-10在不同變形條件下真應(yīng)力值差別很大，也再次說明QT450-10材料對應(yīng)變速率的敏感性。
2.3應(yīng)變速率對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，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，因此當石墨晶格受到剪切力作用時，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，這種晶界是可移動的，活動很少受到限制，所以受力后變形代替了斷裂或破裂。
變形石墨顆粒的明/暗場像。暗場像可以看到，石墨周圍存在連續(xù)而完整的亮圈，說明在三向不等壓應(yīng)力狀態(tài)下，石墨并未出現(xiàn)完全破碎，而是通過晶體內(nèi)位錯滑移、攀移以及晶粒轉(zhuǎn)動等形式發(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，當球鐵在950℃時，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，“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金屬基體成滯后現(xiàn)象，所以基體在發(fā)生塑性變形時將與石墨分離，形成一定縫隙，使該處石墨球形成自由表面，流動阻力最小，當應(yīng)力加大時，石墨球受剪切力沿金屬流動方向伸長形成橢圓形填充孔隙，在高溫和壓應(yīng)力作用下，石墨球和基體通過擴散又很好的焊合，乃至碳原子擴散到基體當中，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，石墨球在基體流動方向上伸長，并形成整片的方向性排列，也體現(xiàn)出石墨球變形對基體變形流動的依附性。這種結(jié)果既反映了整個球鐵構(gòu)件在塑性變形過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，石墨顆粒的排列方向正好和受力方向匹配時，將大大提高球鐵構(gòu)件的使用強度，這也是球鐵鍛件強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)變速率直接對石墨形貌改變的影響較小。
隨著冶煉鑄造工藝的改進以及水平連鑄球鐵棒材的生產(chǎn)，越來越多的學者開始對球鐵塑性變形進行研討。但是，目前球鐵的變形機制仍然不十分明確，尤其是對球鐵變形過程中石墨形貌的演變尚存爭議。而以塑性加工為目的，Dubinskii研討了球鐵的頂鍛和沖壓工藝對材質(zhì)力學性能的影響。張作梅、張青來以及季誠昌等人分別對球鐵進行了鍛造和軋制試驗，并取得了一定的成果，但這些工作尚處于嘗試性的試驗研討階段，并沒有得到穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝制度。
對于鍛造，軋制，沖壓等不同的加工方法，相應(yīng)的加工速率會有明顯的差異，但是迄今為止很少有關(guān)于應(yīng)變速率對球鐵熱塑性影響的報道。本文用熱壓縮物理模擬實驗，針對球墨冶煉鑄鐵的熱塑性變形，重點剖析了球墨冶煉鑄鐵塑性變形過程中應(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)變速率對球鐵高溫塑性的影響機制，對制定穩(wěn)定塑性加工工藝提供重要的理論依據(jù)。
1實驗材料及方法實驗采用牌號為QT450-10的球墨冶煉鑄鐵，其化學成分。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號砂紙打磨試樣兩底面。
在Gleeble-1500熱模擬機上進行高溫軸向壓縮實驗，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)實驗經(jīng)驗預(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)肉眼可見裂紋時的壓縮程度表示塑性指標，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)實驗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Π肭虚_，制備金相試樣。在MEF-3型光學顯微鏡（OM）上觀察組織。
2實驗結(jié)果與討論
2.1應(yīng)變速率對球鐵熱塑性的影響不同應(yīng)變速率下的極限壓下量對比情況，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。這是因為在高溫區(qū)變形，變形速率越高，變形時間就越短。一方面，熱量散失的機會減少，因而溫度效應(yīng)越大，就會促使晶間的低熔點物質(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)使同時運動的位錯更多，并且要求位錯運動的速度增大。而位錯運動的速度又是和剪應(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，當然就意味著屈服強度的增加。研討表明，在許多情況下，變形速率對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，金屬就會更早地到達斷裂階段，也即意味著金屬塑性的降低。
此外，增加變形速率，由于沒有足夠的時間進行回復(fù)和再結(jié)晶，而使金屬的塑性降低。一般就材料性質(zhì)來說，化學成分越復(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。當變形速率增加時，會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，在熱成形時都表現(xiàn)出這種趨勢，而低合金結(jié)構(gòu)鋼的塑性受變形速率的影響較小。
對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，所以球鐵的塑性對于變形速率具有相當高的敏感性，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采集到瞬時壓力和壓頭位移數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻中提供的計算得到QT450-10在950℃時，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，沒有足夠的時間發(fā)展軟化過程，所以在應(yīng)變速率為10s－1時得到的應(yīng)力峰值遠遠高于較低應(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)變增加均呈直線上升趨勢，真應(yīng)力達到峰值之后開始減小，說明發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶過程，之后因為位錯堆積，開動位錯運動需要更多的能量從而導致應(yīng)力繼續(xù)增加。這種真應(yīng)力隨真應(yīng)變增加而增加的現(xiàn)象主要是因為變形中產(chǎn)生的位錯堆積不能及時通過位錯滑移、晶內(nèi)位錯攀移或回復(fù)和再結(jié)晶等軟化機制消除，換言之，變形金屬的硬化速率超過軟化速率，結(jié)果使變形抗力升高，而當軟化作用增強時，真應(yīng)力又隨之減小。
應(yīng)變速率對球墨鑄鐵熱塑性的影響
前文提到，增加變形速率將導致熱效應(yīng)增加，可見，變形速率對真應(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硬化與軟化的相對強度而定。
QT450-10在不同變形條件下真應(yīng)力值差別很大，也再次說明QT450-10材料對應(yīng)變速率的敏感性。
2.3應(yīng)變速率對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，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，因此當石墨晶格受到剪切力作用時，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，這種晶界是可移動的，活動很少受到限制，所以受力后變形代替了斷裂或破裂。
變形石墨顆粒的明/暗場像。暗場像可以看到，石墨周圍存在連續(xù)而完整的亮圈，說明在三向不等壓應(yīng)力狀態(tài)下，石墨并未出現(xiàn)完全破碎，而是通過晶體內(nèi)位錯滑移、攀移以及晶粒轉(zhuǎn)動等形式發(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，當球鐵在950℃時，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，“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金屬基體成滯后現(xiàn)象，所以基體在發(fā)生塑性變形時將與石墨分離，形成一定縫隙，使該處石墨球形成自由表面，流動阻力最小，當應(yīng)力加大時，石墨球受剪切力沿金屬流動方向伸長形成橢圓形填充孔隙，在高溫和壓應(yīng)力作用下，石墨球和基體通過擴散又很好的焊合，乃至碳原子擴散到基體當中，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，石墨球在基體流動方向上伸長，并形成整片的方向性排列，也體現(xiàn)出石墨球變形對基體變形流動的依附性。這種結(jié)果既反映了整個球鐵構(gòu)件在塑性變形過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，石墨顆粒的排列方向正好和受力方向匹配時，將大大提高球鐵構(gòu)件的使用強度，這也是球鐵鍛件強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)變速率直接對石墨形貌改變的影響較小。
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