铝锭连铸机用模具材料热疲劳性能的研究

摘要

热疲劳破坏是铝锭连铸机浇注模具的主要失效形式之一，是限制其使用寿命的重要因素。因此，改善铝锭连铸机用模具材料的热疲劳性能对于提高模具的使用寿命，扩大其在国内的推广与应用具有重要的实际意义。 本文针对铝锭连铸机用模具的工作条件，采用实验室模拟研究的方法，进行了铝锭连铸机用模具材料热疲劳性能的研究，分析了球墨铸铁模具材料不同的热处理工艺参数试样的热疲劳性能变化规律，并研究了球墨铸铁模具材料的热疲劳特性及球墨铸铁热疲劳裂纹的萌生和扩展机理。为提高铝锭浇注模具的耐热疲劳性能提供了实验依据。 研究结果表明：对于球墨铸铁的初期微裂纹，均萌发于石墨相与基体的交界处，由于石墨相强度低，其分支处易于引起应力集中导致裂纹的萌生，微裂纹的扩展一般也是沿着石墨球距离最近的路径扩展的。在热疲劳裂纹扩展的初期可采用统计平均裂纹长度作为热疲劳损伤程度的判据，但在裂纹扩展的后期裂纹在宽度方向的扩展占据了主导地位，则需要用新的判据代表这个阶段的热疲劳损伤程度。实验中根据热疲劳裂纹的实际扩展情况定义了表面裂纹损伤因子D（D=A％·W/L）以作为此过程的判据，经实际检验，这种新判据可以很好地表征热疲劳裂纹的后期扩展行为。 对比实验研究表明，热处理对球墨铸铁模具材料的热疲劳性能有显著影响，通过选择合适的热处理工艺可以明显提高铸铁的热疲劳抗力。实验中比较了不同的热处理工艺及热疲劳实验结果，选择出综合性能良好，热疲劳裂纹扩展较慢的热处理工艺为：900℃×2h退火+900℃×2h正火，900℃×2h+300℃×1h等温淬火。实验结果表明，采用退火加正火处理后，球铁的组织组成相得以优化，形成以大量的细小珠光体和少量的铁素体为基体的组织，组织与力学性能配合较好；而采用退火加等温淬火的工艺处理后形成具有大量下贝氏体的基体组织，同样具有高的强度和韧性，力学性能表现也比较好。整体来看，通过以上两种工艺可以显著地提高铝锭模材料的耐热疲劳性能，延长模具的使用寿命。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1本课题选题意义

1.1.1铝锭连铸机组简介

1.1.2铝锭模失效样品的形貌观察

1.1.3铝锭模服役工况分析

1.2国内外研究现状

1.2.1热疲劳的基本概念

1.2.2热疲劳的研究历史与现状

1.2.3热疲劳理论的研究

1.2.4热处理改进铸铁模具性能

1.2.5热疲劳实验方法的研究

1.3铝锭模的失效分析

1.3.1典型铝锭模的失效形式分析

1.3.2力学性能的影响

1.3.3化学成分的影响

1.3.4铸铁材质的影响

1.4本课题的主要研究内容和技术路线

1.4.1本课题的技术路线示意图

1.4.2本课题的主要研究内容和目标

第2章实验原材料及研究方法

2.1实验用原材料的制各

2.1.1实验用试样尺寸的确定

2.1.2铸造工艺及熔炼工艺

2.2热处理工艺方案的设计

2.2.1球墨铸铁试样的差热分析

2.2.2铸铁热处理工艺分析

2.2.3热处理工艺的制定

2.3热疲劳实验方案的设计

2.3.1热疲劳实验的设计原则

2.3.2热疲劳实验方法的建立

2.4本章小结

第3章热处理对铝锭模材料组织与性能的影响

3.1实验用球铁铸态成分与组织

3.1.1铸铁的化学成分检测

3.1.2铸态球铁金相组织检验

3.2不同成分试样采用同种热处理工艺的实验结果

3.2.1热处理后试样的力学性能检验

3.2.2热处理后试样的金相组织检验与分析

3.3同种成分试样不同热处理工艺的实验结果

3.3.1热处理后试样的力学性能检验

3.3.2热处理后试样的金相组织检验

3.4热处理对组织及性能的影响分析

3.5本章小结

第4章热疲劳实验结果与分析

4.1热疲劳裂纹的萌生

4.1.1热疲劳裂纹的萌生观测

4.1.2热疲劳裂纹的萌生机制分析

4.1.3热疲劳裂纹的萌生次数对比

4.2热疲劳裂纹的初期扩展行为分析

4.2.1典型的热疲劳裂纹初期扩展行为

4.2.2试样的热疲劳裂纹初期扩展行为

4.3热疲劳裂纹的后期扩展行为分析

4.3.1热疲劳裂纹后期扩展行为评定指标

4.3.2试样的热疲劳裂纹后期扩展形貌

4.3.3热疲劳表面裂纹后期扩展行为的评定

4.4本章小结

结论

参考文献

致谢

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