简述球墨铸铁热塑性受到应变速率的影响
据分析，球墨冶炼铸铁由于耐磨性和减振性以及优良的冶炼铸造性能和廉价的的生产成本，目前已广泛用于机械制造、冶金、矿山、化工、石油、造船等各个领域。为了消除球铁在冶炼铸造中产生的缺陷，提高强韧性，自1931年首次提出压力加工可以改善球铁的力学性能以来，材料工作者曾经做了大量的工作。
随着冶炼铸造工艺的改进以及水平连铸球铁棒材的生产，越来越多的学者开始对球铁塑性变形进行研讨。但是，目前球铁的变形机制仍然不十分明确，尤其是对球铁变形过程中石墨形貌的演变尚存争议。而以塑性加工为目的，Dubinskii研讨了球铁的顶锻和冲压工艺对材质力学性能的影响。张作梅、张青来以及季诚昌等人分别对球铁进行了锻造和轧制试验，并取得了一定的成果，但这些工作尚处于尝试性的试验研讨阶段，并没有得到稳定的生产工艺制度。
对于锻造，轧制，冲压等不同的加工方法，相应的加工速率会有明显的差异，但是迄今为止很少有关于应变速率对球铁热塑性影响的报道。本文用热压缩物理模拟实验，针对球墨冶炼铸铁的热塑性变形，重点剖析了球墨冶炼铸铁塑性变形过程中应力-应变曲线及其内部微观石墨形貌的演变，揭示出应变速率对球铁高温塑性的影响机制，对制定稳定塑性加工工艺提供重要的理论依据。
1实验材料及方法实验采用牌号为QT450-10的球墨冶炼铸铁，其化学成分。经感应电炉熔炼，浇铸成30mm的原始棒料，退火后沿轴向机加工成8mm×15mm的圆柱形试样。为减少压头和试样两端的摩擦，先用800号砂纸打磨试样两底面。
在Gleeble-1500热模拟机上进行高温轴向压缩实验，采用逐步逼近，在950℃的压缩温度下，应变速率分别选用0.1、1和10s－1，根据实验经验预设压缩变形量，压缩后观察试样侧面是否出现裂纹，以试样侧表面不出现肉眼可见裂纹时的压缩程度表示塑性指标，如果出现裂纹遂将预设压缩变形量降低5%，依次重复实验直到压缩试样不出现裂纹即为极限压下量。压缩完毕后空冷，沿与压缩轴平行的方向将试样对半切开，制备金相试样。在MEF-3型光学显微镜（OM）上观察组织。
2实验结果与讨论
2.1应变速率对球铁热塑性的影响不同应变速率下的极限压下量对比情况，可以看出，在温度恒定的条件下，随着应变速率的增大，QT450-10球铁所能达到的极限压下量逐渐减小，即球铁的塑性随应变速率的升高而降低。这是因为在高温区变形，变形速率越高，变形时间就越短。一方面，热量散失的机会减少，因而温度效应越大，就会促使晶间的低熔点物质熔化，出现晶间断裂，则金属的塑性降低；另一方面，应变速率越高，塑性变形驱使同时运动的位错更多，并且要求位错运动的速度增大。而位错运动的速度又是和剪应力有密切的关系，这种关系可以近似表示。
临界剪应力的升高，当然就意味着屈服强度的增加。研讨表明，在许多情况下，变形速率对金属的断裂抗力基本上没有影响。
因此，随着应变速率的增加，金属就会更早地到达断裂阶段，也即意味着金属塑性的降低。
此外，增加变形速率，由于没有足够的时间进行回复和再结晶，而使金属的塑性降低。一般就材料性质来说，化学成分越复杂，再结晶速度就越低，变形速率与塑性的关系就越敏感。当变形速率增加时，会引起塑性的明显降低。如高合金钢、高温合金以及镁合金、钛合金等有色合金，在热成形时都表现出这种趋势，而低合金结构钢的塑性受变形速率的影响较小。
对于球墨冶炼铸铁不仅含有大量Si，S，Mn等元素，而且这些元素在球墨冶炼铸铁中发生明显的成分偏析，所以球铁的塑性对于变形速率具有相当高的敏感性，在图3中也就体现出极限压下量的差异。
2.2真应力-真应变曲线利用Gleeble-1500采集到瞬时压力和压头位移数据，根据文献中提供的计算得到QT450-10在950℃时，不同应变速率下的真应力（σ）-真应变（ε）曲线。
可以看出，真应力随应变速率的增加而升高。由于变形速率增加，没有足够的时间发展软化过程，所以在应变速率为10s－1时得到的应力峰值远远高于较低应变速率的峰值。在开始加载阶段，由于加工硬化造成真应力随真应变增加均呈直线上升趋势，真应力达到峰值之后开始减小，说明发生了动态再结晶过程，之后因为位错堆积，开动位错运动需要更多的能量从而导致应力继续增加。这种真应力随真应变增加而增加的现象主要是因为变形中产生的位错堆积不能及时通过位错滑移、晶内位错攀移或回复和再结晶等软化机制消除，换言之，变形金属的硬化速率超过软化速率，结果使变形抗力升高，而当软化作用增强时，真应力又随之减小。
应变速率对球墨铸铁热塑性的影响
前文提到，增加变形速率将导致热效应增加，可见，变形速率对真应力的影响比较复杂，主要根据金属在具体条件下变形时硬化与软化的相对强度而定。
QT450-10在不同变形条件下真应力值差别很大，也再次说明QT450-10材料对应变速率的敏感性。
2.3应变速率对石墨形貌的影响球铁铸态及不同压缩速率下得到的石墨微观形貌照片，可以看出，经过压缩变形后，石墨形貌均发生了显著变形，而且随着应变速率的降低，球铁的塑性提高，极限压下量增加，石墨球变形程度亦加剧，依次呈椭球形、纺锤形甚至板条形。
石墨形貌的改变主要由以下两个方面决定：一方面，石墨具有六方晶系的层状结构，同一层内碳原子以共价键连接，原子间距为0.142nm，原子结合能为293～335kJ/mol，结合力强，而层与层之间的间距为0.335nm，原子结合能仅有70kJ/mol，结合力弱，因此当石墨晶格受到剪切力作用时，就容易在层与层之间产生滑移。球状石墨的主要晶体缺陷是小角度倾斜晶界，这种晶界是可移动的，活动很少受到限制，所以受力后变形代替了断裂或破裂。
变形石墨颗粒的明/暗场像。暗场像可以看到，石墨周围存在连续而完整的亮圈，说明在三向不等压应力状态下，石墨并未出现完全破碎，而是通过晶体内位错滑移、攀移以及晶粒转动等形式发生了塑性变形，变形后石墨颗粒内的晶粒之间仍然保持着一定的晶向关系。可观察到石墨颗粒内部晶粒延伸后的形貌。简言之，石墨颗粒并非完全脆性相，而是具有一定的塑性。
另一方面，当球铁在950℃时，基体为具有一定塑性的奥氏体，奥氏体首先产生塑性流变，并沿最大主应力方向伸长，“迫使”石墨颗粒球沿基体的流变方向变形，由于石墨球的变形相对金属基体成滞后现象，所以基体在发生塑性变形时将与石墨分离，形成一定缝隙，使该处石墨球形成自由表面，流动阻力最小，当应力加大时，石墨球受剪切力沿金属流动方向伸长形成椭圆形填充孔隙，在高温和压应力作用下，石墨球和基体通过扩散又很好的焊合，乃至碳原子扩散到基体当中，造成“回溶”现象。此外，有少量石墨球，由于不均匀应力作用和基体的塑性变形难以协调，产生破碎。球铁塑性变形中，石墨球在基体流动方向上伸长，并形成整片的方向性排列，也体现出石墨球变形对基体变形流动的依附性。这种结果既反映了整个球铁构件在塑性变形过程中的金属流变情况，可以更好的剖析构件的受力行为，同时，石墨颗粒的排列方向正好和受力方向匹配时，将大大提高球铁构件的使用强度，这也是球铁锻件强度高于冶炼铸件的重要原因之一。由此可见，石墨的变形主要受应力状态和基体塑性的影响，而应变速率直接对石墨形貌改变的影响较小。
随着冶炼铸造工艺的改进以及水平连铸球铁棒材的生产，越来越多的学者开始对球铁塑性变形进行研讨。但是，目前球铁的变形机制仍然不十分明确，尤其是对球铁变形过程中石墨形貌的演变尚存争议。而以塑性加工为目的，Dubinskii研讨了球铁的顶锻和冲压工艺对材质力学性能的影响。张作梅、张青来以及季诚昌等人分别对球铁进行了锻造和轧制试验，并取得了一定的成果，但这些工作尚处于尝试性的试验研讨阶段，并没有得到稳定的生产工艺制度。
对于锻造，轧制，冲压等不同的加工方法，相应的加工速率会有明显的差异，但是迄今为止很少有关于应变速率对球铁热塑性影响的报道。本文用热压缩物理模拟实验，针对球墨冶炼铸铁的热塑性变形，重点剖析了球墨冶炼铸铁塑性变形过程中应力-应变曲线及其内部微观石墨形貌的演变，揭示出应变速率对球铁高温塑性的影响机制，对制定稳定塑性加工工艺提供重要的理论依据。
1实验材料及方法实验采用牌号为QT450-10的球墨冶炼铸铁，其化学成分。经感应电炉熔炼，浇铸成30mm的原始棒料，退火后沿轴向机加工成8mm×15mm的圆柱形试样。为减少压头和试样两端的摩擦，先用800号砂纸打磨试样两底面。
在Gleeble-1500热模拟机上进行高温轴向压缩实验，采用逐步逼近，在950℃的压缩温度下，应变速率分别选用0.1、1和10s－1，根据实验经验预设压缩变形量，压缩后观察试样侧面是否出现裂纹，以试样侧表面不出现肉眼可见裂纹时的压缩程度表示塑性指标，如果出现裂纹遂将预设压缩变形量降低5%，依次重复实验直到压缩试样不出现裂纹即为极限压下量。压缩完毕后空冷，沿与压缩轴平行的方向将试样对半切开，制备金相试样。在MEF-3型光学显微镜（OM）上观察组织。
2实验结果与讨论
2.1应变速率对球铁热塑性的影响不同应变速率下的极限压下量对比情况，可以看出，在温度恒定的条件下，随着应变速率的增大，QT450-10球铁所能达到的极限压下量逐渐减小，即球铁的塑性随应变速率的升高而降低。这是因为在高温区变形，变形速率越高，变形时间就越短。一方面，热量散失的机会减少，因而温度效应越大，就会促使晶间的低熔点物质熔化，出现晶间断裂，则金属的塑性降低；另一方面，应变速率越高，塑性变形驱使同时运动的位错更多，并且要求位错运动的速度增大。而位错运动的速度又是和剪应力有密切的关系，这种关系可以近似表示。
临界剪应力的升高，当然就意味着屈服强度的增加。研讨表明，在许多情况下，变形速率对金属的断裂抗力基本上没有影响。
因此，随着应变速率的增加，金属就会更早地到达断裂阶段，也即意味着金属塑性的降低。
此外，增加变形速率，由于没有足够的时间进行回复和再结晶，而使金属的塑性降低。一般就材料性质来说，化学成分越复杂，再结晶速度就越低，变形速率与塑性的关系就越敏感。当变形速率增加时，会引起塑性的明显降低。如高合金钢、高温合金以及镁合金、钛合金等有色合金，在热成形时都表现出这种趋势，而低合金结构钢的塑性受变形速率的影响较小。
对于球墨冶炼铸铁不仅含有大量Si，S，Mn等元素，而且这些元素在球墨冶炼铸铁中发生明显的成分偏析，所以球铁的塑性对于变形速率具有相当高的敏感性，在图3中也就体现出极限压下量的差异。
2.2真应力-真应变曲线利用Gleeble-1500采集到瞬时压力和压头位移数据，根据文献中提供的计算得到QT450-10在950℃时，不同应变速率下的真应力（σ）-真应变（ε）曲线。
可以看出，真应力随应变速率的增加而升高。由于变形速率增加，没有足够的时间发展软化过程，所以在应变速率为10s－1时得到的应力峰值远远高于较低应变速率的峰值。在开始加载阶段，由于加工硬化造成真应力随真应变增加均呈直线上升趋势，真应力达到峰值之后开始减小，说明发生了动态再结晶过程，之后因为位错堆积，开动位错运动需要更多的能量从而导致应力继续增加。这种真应力随真应变增加而增加的现象主要是因为变形中产生的位错堆积不能及时通过位错滑移、晶内位错攀移或回复和再结晶等软化机制消除，换言之，变形金属的硬化速率超过软化速率，结果使变形抗力升高，而当软化作用增强时，真应力又随之减小。
应变速率对球墨铸铁热塑性的影响
前文提到，增加变形速率将导致热效应增加，可见，变形速率对真应力的影响比较复杂，主要根据金属在具体条件下变形时硬化与软化的相对强度而定。
QT450-10在不同变形条件下真应力值差别很大，也再次说明QT450-10材料对应变速率的敏感性。
2.3应变速率对石墨形貌的影响球铁铸态及不同压缩速率下得到的石墨微观形貌照片，可以看出，经过压缩变形后，石墨形貌均发生了显著变形，而且随着应变速率的降低，球铁的塑性提高，极限压下量增加，石墨球变形程度亦加剧，依次呈椭球形、纺锤形甚至板条形。
石墨形貌的改变主要由以下两个方面决定：一方面，石墨具有六方晶系的层状结构，同一层内碳原子以共价键连接，原子间距为0.142nm，原子结合能为293～335kJ/mol，结合力强，而层与层之间的间距为0.335nm，原子结合能仅有70kJ/mol，结合力弱，因此当石墨晶格受到剪切力作用时，就容易在层与层之间产生滑移。球状石墨的主要晶体缺陷是小角度倾斜晶界，这种晶界是可移动的，活动很少受到限制，所以受力后变形代替了断裂或破裂。
变形石墨颗粒的明/暗场像。暗场像可以看到，石墨周围存在连续而完整的亮圈，说明在三向不等压应力状态下，石墨并未出现完全破碎，而是通过晶体内位错滑移、攀移以及晶粒转动等形式发生了塑性变形，变形后石墨颗粒内的晶粒之间仍然保持着一定的晶向关系。可观察到石墨颗粒内部晶粒延伸后的形貌。简言之，石墨颗粒并非完全脆性相，而是具有一定的塑性。
另一方面，当球铁在950℃时，基体为具有一定塑性的奥氏体，奥氏体首先产生塑性流变，并沿最大主应力方向伸长，“迫使”石墨颗粒球沿基体的流变方向变形，由于石墨球的变形相对金属基体成滞后现象，所以基体在发生塑性变形时将与石墨分离，形成一定缝隙，使该处石墨球形成自由表面，流动阻力最小，当应力加大时，石墨球受剪切力沿金属流动方向伸长形成椭圆形填充孔隙，在高温和压应力作用下，石墨球和基体通过扩散又很好的焊合，乃至碳原子扩散到基体当中，造成“回溶”现象。此外，有少量石墨球，由于不均匀应力作用和基体的塑性变形难以协调，产生破碎。球铁塑性变形中，石墨球在基体流动方向上伸长，并形成整片的方向性排列，也体现出石墨球变形对基体变形流动的依附性。这种结果既反映了整个球铁构件在塑性变形过程中的金属流变情况，可以更好的剖析构件的受力行为，同时，石墨颗粒的排列方向正好和受力方向匹配时，将大大提高球铁构件的使用强度，这也是球铁锻件强度高于冶炼铸件的重要原因之一。由此可见，石墨的变形主要受应力状态和基体塑性的影响，而应变速率直接对石墨形貌改变的影响较小。
下一篇：谈谈球墨铸铁的工艺
上一篇：如何快速检验铸造厂球墨铸铁的球化质量
