球墨铸铁热塑性变形及组织研究

时间：2020-09-25 22:22:10 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人

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　摘要 二氧化铁是一种廉价的结构材料，由于耐受性强，容易受到冲击，对烟雾的敏感性低，切割和熔炼性能优良，在汽车、农业机械和冶金机械等领域广泛使用。计算表明，当石墨演变球形到椭球的形式，石墨的形状变化可以减轻应力集中在基体中的石墨效果时，外部的应力的方向平行于长椭圆形的轴。在球形铁的热变形的方法中，石墨的塑性变形是由于基体的摩擦，使得在从所述主流可变电压的方向上延伸的石墨。石墨由球形变化优化轧制参数后，与铸态球墨铸铁相比，坯料的抗拉强度提高了 26.5％，尤其是采样方式对平行方向的影响。平行轧制方向（纵向）板坯的抗拉强度比垂直轧制方向（横向）高 18.9％，伸长率高 13.3％最后，本文进行了球墨铸铁球磨锻余残余热淬火实验，与常规淬火球墨铸铁磨球和铬铸铁磨球相比，锻造余热淬火球墨铸铁磨球马氏体结构由于继承变形奥氏体和完全精制的位错结构，磨边球的硬度值比传统淬火磨球高出 5.3％。

　关键词:球墨铸铁;塑性变形;石墨;形变诱导相变;锻造;轧制

　Abstract

　Iron dioxide is a cheap structural material that is widely used in the fields of automobiles, agricultural machinery and metallurgical machinery due to its strong tolerance, vulnerability to shock, low sensitivity to smog, and excellent cutting and smelting properties. Calculations show that when graphite evolves into the form of an ellipsoid, the shape of the graphite changes to reduce the stress concentration in the matrix of the graphite effect when the external stress direction is parallel to the for long oval axis. In the method of thermal deformation of spherical iron, the plastic deformation of graphite is due to the friction of the substrate, which makes graphite extending in the direction of the mainstream variable voltage. After the rolling parameters are optimized by spherical variation, the tensile strength of the billet is increased by 26.5% compared with that of cast ductile iron, especially the influence of sampling mode on the parallel direction. The tensile strength of the parallel rolling direction (longitudinal) slab is 18.9% higher than that of the vertical rolling direction (transverse), and the elongation is 13.3%. Finally, the residual thermal quenching experiment of ductile iron ball grinding is carried out in this paper, compared with the conventional quenching ductile iron grinding ball and chrome cast iron grinding ball, the forging residual heat quenching ductile iron grinding ball martensite structure due Wrong structure, the hardness value of the grinding ball is 5.3% higher than that of the traditional quenching ball Keywords: nodular cast iron; Plastic deformation; Graphite; Deformation-induced phase transition; Forging; rolling

　目录 1 绪论 ............................................................................................................................................... 4 1. 1 研究背景及意义 ................................................................................................................ 4 1.2 铁基合金高温塑性变形行为 ............................................................................................. 5 1.2.1 金属塑性加工的特点及应用 .................................................................................. 5 1.2.2 热变形过程中的硬化和软化 .................................................................................. 6 1.2. 3 热机处理工艺及机制的研究进展 ......................................................................... 6 2.1 试验材料与方法 ......................................................................................................................... 8 3 试验结果与分析 .......................................................................................................................... 10 3．1 热力学模拟试验结果 .................................................................................................... 10 3.2 等温淬火及组织分析 ....................................................................................................... 12 3.3 球墨铸铁模锻及其组织分析 .......................................................................................... 13 3.3.1 球墨铸铁锻件 ....................................................................................................... 13 3.3.2 球墨铸铁锻件组织和硬度 ................................................................................... 14 3.3.3 球墨铸铁模锻等温淬火组织和硬度 ................................................................... 16 总结 ................................................................................................................................................ 17 致谢 ................................................................................................................................................ 17 参考文献......................................................................................................................................... 19

　1 绪论 1. 1 研究背景及意义

　 球状铸铁（或更简单地说，球状钢）是自 1940 年引入并投入生产以来迅速发展起来的，其优点是，它具有特殊的钢结构。耐久性，减振和低成本的生产。到目前为止，在汽车、机车、机械机床和配件、铸铁管的生产中广泛应用了铁。2006 年我国的产量增加了 680 万吨，约占当年全球铁产量的 31.6%，而铁产量则从 14.1%增加到 1997 年的 24-25%，除了大量生产和种类多样外，目前正在不断开发和生产大量的铁块。球管是以热组件为基础，重量为 14762 吨，厚度仅为 27.9 毫米；宁波公司生产的 2500m magister sliptions limited 样板使用 QT450-10外形尺寸 2700 x 2800x 1000 毫米，重量 25 吨。由此可知，铁仍是本世纪最重要的建筑材料之一。

　图 1.1 奥贝球铁齿轮和微观组织

　随着现代设备向容易量化、节能和高效率的方向发展，对强度和生产能力的要求也在增加。因此，铸造和冶金行业的工人通常使用铸造铸造或热处理技术，以达到提升的目的。冶金机械的生产能力。然而，由于在铸造过程中需要增加昂贵的合金元素（如 Ti、Cu 等），因此，必须对这些合金元素进行分析，以确定它们是否符合国际标准。与能源消耗和后者的时间有关的滥用导致了钢铁生产在市场上的竞争力丧失。此外，金属在冲击强度方面的强度提高非常有限。

　金属塑性加工理论自 1940 年代发展为一个独立的应用学科以来，提出大量的新设备和新工艺。是根据外力作用形成金属材料的同时，改善内部组织，特别是铸件组织，使之提高的加工方法。通过在塑性状态下金属体积的转移，充分提

　高了产品材料的利用率，提高了产品的强度和工程的精度。

　塑性变形不仅可以合理消除球铁中引进、缩松等收缩类铸造的缺陷，还可以提高铁的强度和综合的使用性能，还可以取代目前的一些合金化和热处理技术降低成本，提高生产效率，降低能源消费的目的。因此，有必要将塑性成形技术应用于球铁材料。通过塑性变形提高球铁的强度和冲击的韧性，最大限度地发挥了球铁自身优良的耐耗性、减震性及低值生产成本等特点，也应是球铁齿轮、轴承及曲轴类工作的，开拓更宽广的空间。它严重影响了铁的塑性加工技术应用，也阻碍了球铁产业进一步扩大发展。为此，本论文以工业中最常用的 QT450-10 为对象，系统地调查高温下球铁的塑性加工行为和内部组织的变化，决定 QT450-10的锻造和延迟过程中的最佳变形参数。本文的基础研究为今后球的铁塑性的加工技术提供新详细的设计依据。

　1.2 铁基合金高温塑性变形行为 1.2.1 金属塑性加工的特点及应用

　 金属塑性加工是金属在外力作用下产生塑性变形，必要的形状、尺寸、组织、性能得到的产品的一种基本的金属加工技术。基本的塑性加工方法有锻造、压缩、拉拔、深度、弯曲等。拔出和拉深是根据力量的作用而发生塑性的变形；弯曲是根据扭矩作用来进行金属的弯曲变形；所谓剪切，是指根据剪切力而产生剪切变形或剪切。锻造、压榨及部分延制大部分在热状态下加工。抽样、搬家以及部分延制、弯曲及切割在室温下进行。金属的塑性加工与金属铸造、切削、焊接等的加工方法相比有以下特征。

　(1)金属塑性加工在保持金属整体性的前提下，通过塑性变形发生物质的转移实现工程部件的形状和尺寸的变化，由于不发生头屑，材料的利用率高。

　(2)在塑性加工过程中,除尺寸和形状变化外,还可以改善和提高金属组织,性能,特别是对成形体,精密成形品的结构,粗晶粉碎细化均匀化,提高其性能。同时，也能改善由于塑性流动产生的流线的性能。

　(3)塑性加工流程易于实现生产过程的连续化、自动化，适用于大量生产，通过延制、拉丝加工等提高劳动生产率。

　(4)塑性加工品的尺寸精度和表面质量高。金属塑性加工具有这样的特点，因此材料消费少，生产效率高，产品质量稳定，不仅能有效改善金属的组织性能。这些技术和经济上的独特优势是金属加工中极其重要的手段之一。在钢铁产物中，除直接制作的多种铸件方法外，还需满足钢铁产量 90%以上、有色金属、产量70%以上的均塑性加工成材，才能满足交通、电力电信制造机械、化学、建材、仪器仪表、航天航空、国防军需、航空民用橡胶及家电制品等;另外,塑性加工本身也是上述许多部门为了直接制造零部件经常采用的重要加工方法,如汽车、船舶制造、航空宇宙、民用等很多零部件。因此，金属塑性加工在国民经济中占有极其重要的地位。

　1.2.2 热变形过程中的硬化和软化

　对金属或合金动态软化的研究最早源于对蠕变行为的研究，首先对动态再结晶(Dynamic Recrystallization，简称 DRX)进行了精确的论述。从理论上对 DRX过程中各参数进行了解释，提出了描述 DRX 过程中各参数的关系式，即温度一应变速率补偿参数 Z

　式中，Q 为应变激活能，反映材料热变形的动态再结晶难易程度;T 为变形温度;R 为气体常数。

　 1994 年，rad-80drx 计算机模拟了,不过，实际的生产过程应用了模拟结果的。最近，peczak 模型应用在变形温度高的状况下，证明是在研究和观察的温度范围内，根据实验结果和模型恰好，通常，金属和合金层根据错误的大小，分成那些把运动恢复和运动作为再结晶型的二个。前者几乎都是铝合金、铁质合金、锌、锡等，后者是铜及其合金、镍合金、奥贝氏的体钢等。

　1.2. 3 热机处理工艺及机制的研究进展

　变形奥氏体相变是基于相变和再结晶的最重要的过程之一。该方法更多

　地用于改进和完善传统的轧制技术，是制备可以实现大规模工业化生产的超细晶粒钢的少数方法之一。变形奥氏体的相变可分为两种类型：奥氏体变形后的相变和奥氏体变形过程中的相变，即变形引起的相变，变形对铁素体的影响相变表明初始变形加速了铁素体相变，变形效应随相变而减小。

　Priestne：等在 C

　-

　Mn

　-

　Nb 钢的研究表明，在连续冷却初期，奥氏体晶界位置饱和，铁素体晶粒发生碰撞，然后粗化和粗化。

　Bengochea 等研究了 C

　-

　Mn

　-

　Nb 变形奥氏体铁素体相变在钢结构演变过程中表明，随着温度的降低，储能累积变形逐渐减小，占总量的 80％自由能。在铁素体成核转变的早期阶段是优先的奥氏体晶界。随着晶粒核中连续冷却温度铁素体的减少，铁素体的体积分数增加。此时，随着铁素体晶粒粗化，铁素体晶粒的最终尺寸不仅取决于成核和生长速率，还取决于铁素体晶粒的粗化。虽然平均晶粒直径可以很小，但如果最终的组织不均匀并含有块状铁素体晶粒，那么它的机械性能，特别是钢的韧性差。

　Priestner 和 Hodgson指出，诱导相变发生在相对较短的时间内，并且在相变过程中很快发生。变形的影响加速了珠光体的转变，导致钢的淬透性降低。奥氏体向贝氏体转变的变形效果更为复杂。复杂影响贝氏体相变的变形是由于相干跃迁机制的扩散和混合，这两个因素的限制。一方面，奥氏体缺陷密度由于变形而增加，促进了铁原子的自扩散，加速了贝氏体的转变;另一方面，由高温奥氏体奥氏体多边形子结构分为极细的相干区（Mosaic block），很大程度上破坏了晶格取向的连续性，阻碍了贝氏体铁素体相的共晶生长。转型。减缓过渡进程。大量实验结果表明，由于高温变形，贝氏体转变缓慢，表明后者因子的百分比较高。

　（3）变形马氏体相变作为奥氏体的剪切变形，马氏体相变不可避免地受母相强度的影响和母相结构状态的影响，如成分均匀性，缺陷密度和分布。总结了奥氏体基体强度和马氏体形态结构的状态以及结构的影响。结果表明，随着母相预变形的增加，马氏体相变温度降低，随后发生马氏体变形冷却：凸透镜状马氏体和不规则边界的透镜状马氏体分为奥氏体滑移区。随着不同的子结构，带状马氏体的硬度和强度也先增加后减小。

　 2.形变诱导相变

　20 世纪 80 年代，亚达等人在实验室模拟中，将 C-MN 钢的铁晶精炼至2-3 瓮，并首次引入了变形突变的概念。在 20 世纪 90 年代中期，P.D。

　Hodgson和其他精制二茂铁颗粒在合成钢合金钢实验室的 Nb-ti 轧机的轧制材料表面上。

　Rn 并介绍了自适应变异（应变诱导转化）的概念。

　1997 年，该计划升级了高强度钢在微纳金合金，aceptel诱导变异概念和Yada Hodgson先生等基础研究中，将实验室层板，相对速度比静止奥氏体快。非常小的反应可以诱导铁输出。在上述铁变质系列特征的基础上，学者将变质作为变形过程中超细基因转化的动态过程。变形钢铁材料的研究已成为国际钢铁工业的重要研究领域，也是新一代基础研究项目的钢铁材料。我们还确定了基本的变形过程，并准备了新一代的钢铁材料。几十年来，形态变异的研究逐渐从外观变为突变，但一些基本问题尚未完全理解。许多研究与他母亲的 Ma 变异之间的关系是不完整的，主要集中在研究中用 MA 处理的奥氏体粗糙度，而其他有机条件（包括不同的结晶重复和部分），如奥氏体转变机制，产品转化的结构，性质和控制很少被研究。麻将分子的转化是提高钢铁材料性能的一种手段。它为世界钢铁工业的发展做出了巨大贡献。随着国民经济的发展，其地位将变得越来越重要。

　2.1 试验材料与方法

　选用球墨铸铁 QT50 水平连铸棒作为试验材料。将棒材在电炉中加热至 650℃保持 30 分钟，然后在 750℃下放入炉内 30 小时，然后在 650℃下回炉至 5 个循

　环，最后风冷。压缩测试在 Gleeble.1500 热力学模拟器上进行。试样尺寸为10mm×15mm，试验温度为 700-950℃，压缩率为 80％。球墨铸铁在不同温度下的流变应力是通过直接加热到试验温度并以 10℃/ s 的加热速率保持来获得的。球墨铸铁模锻工艺：将连铸棒加工成 670 mm * 80 mm 坯料，加热至 1000℃，冲压，空气冷却器粗加工。等温淬火过程：将 M12 标准拉伸样品加热至 900℃保持 30 分钟，然后奥氏体化，并放入盐浴炉（含 55％组成的 KNO）中。

　+ 45％NaNO 3，盐浴温度 237-378℃，不同时间取出，淬火至室温，得到不同的贝氏体结构，然后用 Neophot 21 光学显微镜观察微观结构，用透射电镜分析贝氏体型和形态学。常用的球墨铸铁根据基体组织的不同可分为三种类型：铁素体球铁、铁素体-珠光体球铁及珠光体球铁，其显微组织如图 1.1 所示。

　图 1.2 为高 Si 球铁金相组织 由图 1.2 可见，含 3.94% Si 球铁基体完全铁素体，Si 含量约为 2%时基体由珠光体和铁素体组成，随着 Cu 含量的增加珠光体百分数逐渐增加。

　 3 试验结果与分析

　3 ．1 热力学模拟试验结果 从图 1.2 可观察到，水平连铸球铁棒材具有细小球状石 墨的珠光体型组织热循环退 火处理可减少珠光体体积，增加铁素体数量，石墨形状以及晶粒尺寸实际上不发生变化。由于片状珠光体转变为粒状珠光体的结果，塑 性得到提高，这与参考文献的研究结果一致。

　图 2 在不同参数下球墨铸铁的高温压缩变形曲线。从图中可以看出，当应变速率恒定时，QT450-10 在不同变形温度下的压缩曲线与碳钢的压缩曲线相似，即压应力随变形温度的增加而减小。这主要是因为高温为球墨铸铁的变形提供了更多的能量，这使得脱位更容易启动并降低了压应力。当变形温度恒定时，在应变初始阶段，流动应力增加由于位错的产生和相互作用，这种关系是一个窗帘函数。当应变达到一定值时，出现最大流动应力，金属变形强化达到极限。但是，随着位错密度的不断增加，回复软化随着驱动力的增加而增加，当达到一定的应

　变时，加工硬化率和软化率达到动态平衡，位错密度和稳态流变应力保持不变，或动态软化机制取而代之是加工硬化，而流变应力趋于减小，即金属的动态再结晶发生。在曲线和温度上获得峰值应力和峰值应变之间的关系。图 3.3（a）表明，QT450-10 的峰值应力随变形温度的增加而减小，并随着应变速率的增加而增大。从图 3.3（b）中峰值应变与温度的关系可以看出，随着温度的升高，峰值应变不显示单调趋势，但在一定温度范围内具有最大值。从图中可以看出，温度范围约为 700-900℃，也就是说，温度范围是球墨铸铁的理想变形温度范围。此外，峰值应力和温度曲线之间的关系是相似的。随着应变速率的增加，峰值应变值增加。球墨铸铁的塑性变形增加了位错的数量和密度，这导致应力场在位错之间相互作用，从而抑制位错的运动，即在宏观上显示出加工硬化。这种抵抗力是内在压力。它与位错密度 Pln [[138]成正比。另外，由于位错在滑动表面上的障碍物的移动，将产生阻力有效的应力。其尺寸明显受温度和变形率的影响。如果温度升高，位错的势能增加，这使得容易穿过障碍物。随着应变率的增加，必须克服许多障碍，因此阻力也很大。可以解释为图 3.3 中的应力随着温度的升高和速度的降低而减小。

　3.2 等温淬火及组织分析 图5显示了塑性变形前后球墨铸铁的奥氏体微观结构。

　从图5中可以看出，过冷奥氏体在 450-200（℃）转变成不同类型的贝氏体。等温温度约为 37。组织贝氏体由羽状上贝氏体组成 和少量的下贝氏体，如图 5a，C 和 d 所示; 等温度约为 276℃，得到（在 A + B 下）结构，而贝氏体由黑色针状下贝氏体和少量上贝 氏 体 组 成 ， 如 图 5b ， D 和 F 所 示 。

　非变形球墨铸铁经不同等温淬火处理后获得不同类型贝氏体形状，见图 6所示。从高强度显微镜下可以清楚地看到贝氏体，铁素体和马氏体的形状。铁素体中的渗碳体和奥氏体中的针状和“M”马氏体没有析出上贝氏体，如图6a所示。一些渗碳体在铁素体带边界上不连续地分布在羽状上贝氏体上，而一些上贝氏体在形态上混合，晶界中的贝氏体与细长的铁素体和渗碳体平行。短而厚的板条铁素体上贝氏体分布在晶界，如图 6b 所示。细长且平行的铁素体和渗碳体的混合物形成典型的羽状贝氏体形状，在奥氏体晶粒中具有“M”型马氏体沉淀。晶界中的贝氏体由细长的铁素体和渗碳体组成，它们之间具有不连续的分布，而在另一个晶界，它由针状下贝氏体和细长马氏体组成。羽状贝氏体和针状和“M”马氏体的混合组成如图 6e 所示。如图 6d 所示，还可以观察到不规则排列的针状下贝氏体和规则排列的细长的上贝氏体的形态。从图 6c 可以清楚地观察到典型的隐藏的“M”马氏体形态。

　 3.3 球墨铸铁模锻及其组织分析 3.3.1 球墨铸铁锻件

　3.3.2 球墨铸铁锻件组织和硬度

　3.3.3 球墨铸铁模锻等温淬火组织和硬度

　总结 基于热压模拟试验数据，系统研究了球墨铸铁塑性变形过程中真应力 - 真应变曲线的变化规律。分析了 QT450-10 的流变应力与变形温度，应变速率和应变变量之间的关系。建立了球墨铸铁热变形过程中流变应力的数学模型，研究了球墨铸铁热变形过程中的动态再结晶行为。得出以下结论：（1）球墨铸铁在热变形过程中的真实应力 - 应变曲线与碳钢相似，即加工硬化和加工软化;随着温度的升高，曲线上的峰值应力随着温度的升高而降低，而峰值应变随温度的升高先增大后减小。球墨铸铁热塑性变形的最佳温度为 750-800℃。（2）变形球墨铸铁有三层结构：球形石墨+蠕虫状石墨+流线型石墨。变形石墨周围的铁素体和珠光体也相应地伸长。基体的强化效果大于变形石墨尖端的强化效果。（3）球墨铸铁等温淬火后，在高倍显微镜下观察到针状下贝氏体的不规则排列和细长的羽状上贝氏体的规则排列和典型的隐藏“M”马氏体形态。

　致谢 本论文是在我的老师某某教授的耐心指导下完成的。某某老师知识广博、内涵深远、教导严谨、严格要求和和蔼亲切，不仅只是我学生道路的指路人，也成为了我人生的向导。他在这短短的时间里，让我把学到的运用到实践中和自主思考的习惯，对我未来的学习和操作路上产生了很大的影响。在此谨向某某老师表示最真诚的谢意和尊敬。其次，感谢学校里的老师和同学，在学习中他们帮了我很多，在日常中，同学和老师一直关心我和帮助我，他们的陪伴见证的我的成长。还要感谢我的亲人，他们总是的支持着我的学习，激励着我不断努力，没有他们就没有我的今天。我会不辜负父母的期望，在以后的学习、操作和日常中努力做到最佳。

　最后，感谢为我答辩和评审的各位专家和评委，感谢你们对我提出的宝贵的建议和意见，感谢你们的批评和指正。谢谢！

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