球墨铸铁中“碎块石墨”形成机理的楔子理论研究

摘要

在球墨铸铁微观结构的缺陷中碎块状石墨是最危险的，因为碎块石墨会导致力学性能大幅度下降。通过研究初生石墨形核及二次形核和共晶转变过程中以及凝固后的石墨长大，本文提出了新的方法来解释碎块石墨的形成机制。一方面石墨球体积在增加，另一方面包裹石墨球与石墨接触的奥氏体在收缩。奥氏体外壳在长大的过程中产生拉应力，并且夹杂了非金属化合物，同时也形成了晶体结构上的缺陷，如：点缺陷，线缺陷，面缺陷或体缺陷(Koch—Cohen缺陷群)。在石墨膨胀与奥氏体收缩的作用下，在晶体缺陷处奥氏体壳产生径向裂纹。当共晶晶粒相互接触时，残余熔液中富集了大量的非金属夹杂物(氧化物和硫化物)，这些夹杂物是二次石墨形核的质点，二次石墨球的长大导致了碎块石墨的产生。二次形核长大与初生形核长大相同，但是单位体积上的数量要比初生形核多得多。同时，他们尺寸非常小，因此具有良好的机械强度，它们也被奥氏体包围着，这些奥氏体与初生石墨球上的奥氏体壳相连，靠近初生石墨球的奥氏体壳收缩并在石墨的膨胀作用下破开。包围在初生石墨球周围的奥氏体壳碎片，特别是带有尖角的受到周围的二次石墨形核外围的奥氏体推挤，在径向方向将膨胀(体积)的初生石墨球破坏(楔子作用)。破碎的初生石墨球形成了碎块状石墨。凝固结束的时刻(TSol)，碎块石墨形成的过程尚未完成。石墨球直径不断增加，体积增大促使压力继续增加，破坏还在继续，甚至在固体状态，由于大量石墨基点的存在，因此金属基体是动态的。固态下石墨膨胀的机械运动，导致了石墨沿着糊状区域石墨膨胀的方向继续长大。固态下石墨的长大总伴随着奥氏体的收缩，在转变过程中奥氏体受到的张力增加。碎块状石墨从共晶转变的糊状区域开始形成，一直持续到固态共析转变。碎块石墨的转变导致了金属基体的运动和大块石墨分枝的破坏。众所周知，Ce是促使形成碎块石墨的元素，在厚大部位C和Ce偏析富集区域导致了石墨的过度膨胀。