球铁断口分析

球铁试棒断口分析

问题提出：球铁试棒铸件成分基本相同，但两者的抗拉强度、延伸率相差很大，断口有两个不同断面形貌。

（1）断口明显有两个区域：白的具有金属光泽，黑的好像石墨的颜色。断口比较平齐，约2／3部分呈亮色结晶状组织，1／3部分呈灰色纤维状组织。

（2）断口断裂面全部为灰黑色。

猜想：铸件成分基本相同，显微组织也基本相同，怀疑与成分无关，是力学上引起的上述现象。

1.正常断口

当试样的珠光体量在20～30% 时，其断口宏观表现为暗灰色，断面上分布着亮点，其分布特征是：从裂纹起源区到快速扩展方向，亮点依次增多。它对应的力学性能表现为：抗拉强度= 500MPa左右，延伸率在l5～I 8% 之间。所检测试样的力学性能为Rm=520MPa，

A=15.4% 。电镜观察结果：呈暗灰色，裂纹起源区为韧窝，断口中部区为韧窝+ 解理，而裂纹快速扩展区，也即亮点区，为解理断口。光镜观察结果，暗灰区与亮点区基体组织分布一样。

当珠光体含量≥40％时，断口基本上呈银亮色。此时试样的强度高，伸长率较低。所考察断口对应的力学性能为Rm=570MP A=10.4％，从断口检测结果可见银亮色断口在宏观上呈解理形貌。从上述试验结果可知，在正常球化级别的条件下，随着珠光体含量的增加。拉伸试样断口宏观上由暗灰色向银亮色发展，微观由韧窝为主的断裂机制向以解理为主的断裂机制发展。

2.异常断口

若基体中存在少量的缩松或拉伸夹具偏倾等情况，在拉应力处也会产生灰斑。含有较多磷共晶和缩松的黑斑断口。这类断口的宏观特征为：黑斑区内呈现放射状块状物，对该区域作大面积能谱分析-磷含量高达1.41%。缩松一般伴随着磷共晶产生。

厚壁球铁断口与基体组织及力学性能存在对应关系，随着组织中珠光体量的增加，断口上由暗灰色向银亮色发展，微观上则由韧窝断裂向解理断裂发展，当然，力学性能方面是伸长率下降，强度增加。灰斑是由于非包含物和缺口效应引起的应力集中所致，灰斑区微观形貌为韧窝，它对力学性能影响不大。黑斑是试样中包含物，如变异石墨、夹杂、磷共晶等引起应力集中所致，它使力学性能特别是伸长率大幅度下降，黑斑的出现标志铸造缺陷的产生。

球墨铸铁灰斑断口分析

摘要：用电镜检验了球铁断口中灰斑区的形貌与化学成分，并探索了灰斑区的形成机理。通过对灰斑区的研究，论证了一些影响球铁强度的因素，还发现了球铁中Al成分的偏析。

关键词：球墨铸铁；断口分析；灰斑

球墨铸铁断口通常为银灰色，但在某些球墨铸铁宏观断口中除有正常的银灰色区域外，还可观察到色泽灰暗的灰斑区。图1是一些存在有灰斑区的试样断口。

图1有灰斑断口的拉伸试样

断口中这种灰斑区域，一般来讲，并非铸造缺陷，也非组织缺陷。在GB5601-85“铸造名词术语”中也未对此命名，因而暂称为“灰斑断口”。

1 概述

在球墨铸铁拉伸试样，冲击试样及球铁铸件的断口中都可能出现灰斑区。经实验室长期对拉伸试样断口观察分析的结果，发现灰斑断口出现具有以下几个特征点

1.1 断口中，灰斑区的大小、分布位置没有一定规律，可能出现在试样断口的中心，也可能出现在断口边沿，并多数出现在断口边沿。

1.2 有灰斑区的试样与无此现象的试样相比，通常拉伸强度较低，而延伸率较高。

1.3 灰斑断口多出现在铁素体珠光体混合基体的球铁中。

1.4 对同一试样的灰斑区与银灰色区同时作金相检查，并未发现两者之间出现金相组织上的差别，也即石墨形态、数量、分布与基体组织均无明显变化。在两个区域上取样化验，也未发现化学成分的明显差异。

正因为常规检验无法查明灰斑区的形成原因，因而进一步作了扫描电镜观察及电子探针分析。

2 实验方法与结果

对牌号为QT600-3球铁拉伸试样灰斑断口用台式扫描电子显微镜观察。图2为100×下的断口形貌比较，图中黑色圆球为石墨，明显可以看出灰斑区中的石墨多于银灰色区中的石墨，并且比较密集。图3为500×下的断口形貌比较，在灰斑区中微观断裂特征为石墨球周围形成的大韧窝和基体中形成的小韧窝，属于微孔聚集型的韧性断裂。在银灰色区中微观断裂特征出现河流花样，属于脆性解理断裂。

图3断口扫描电镜照片 500×

对QT600-3灰斑断口进行元素含量定量测定，结果如表1所示。从表1中可以看出，Al 在灰斑区中含量明显高于银灰色区。

3对实验结果的讨论与分析

3.1 断裂过程分析

灰斑断口试样的整个断裂过程可以理解为试样中的夹渣、表面刀痕等作为裂纹源，球状石墨看成显微空洞，随着应力增加，裂纹沿着石墨球之间发展，并使石墨球之间的金属基体产生撕裂或剪切断裂，从而形成韧窝断口形貌，此一时期为韧性断裂。

当夹渣出现在试样心部时，则在试样中心产生灰斑区。在试样边沿的灰斑区则可能由夹渣或刀痕作为裂纹源而引起。所以，灰斑区的分布具有随机性。当韧性断裂断口尺寸增大到某一临界时，裂纹以极快速并呈近似直线方向扩展，发生脆性断裂。

由于韧性断裂是在较低应力状态下产生，并且裂纹扩展速度缓慢，所以出现带灰斑区断口试样拉伸强度较低，而延伸率较高的现象，并由此可知，减少球铁中夹渣，提高球铁球化等级，细化石墨和提高试样表面粗糙度都可以使韧性断裂在较高应力水平下产生，从而提高球铁的拉伸强度。

3.2 断口中色泽差异的原因

韧性断裂中裂纹走向是在石墨球之间进行，因而可将不同晶面的石墨球裸露出来，使石墨裸露程度较多，这是造成宏观观察中该区色泽灰暗的原因之一。

在银灰色区中，是脆性穿晶断裂，断面为解理面或解理台阶，石墨的裸露程度与普通金相照片比较接近，显得较为稀疏。另外，由于韧窝断口对光的散射较解理断面多，也是灰斑区色泽较暗的原因之一。

3.3 铝元素的偏析

韧窝中的石墨往往易于剥落，从而暴露出石墨相与金属基本相的相界面。在灰斑区中，用电子探针定量分析化学成分时，这种相界面的成分占有一定比例。而在银灰色区，因是解理断面，电子探针分析的成分可以认为是金属基体成分。

从表1可知，两者之间主要是Al成分的差异。因而可以认为Al在石墨与金属基体的相界面上产生偏析。为了减少这种偏析，在球铁生产过程中，应使用低铝含量的球化剂与孕育剂。

4 结论

灰斑不是一种铸造缺陷，而是两种断裂方式引起的色泽差异。断口中灰斑区的出现是由于在该区域石墨裸露较多，以及韧窝形貌对光线散射较多的缘故。通过对灰斑断口的研究，论证了可以通过以下途径来提高球铁的功能。

4.1 减少球铁中夹渣，提高球铁球化等级，细化石墨和提高试样或工件的表面粗糙度，都将提高球铁的拉伸强度。

4.2 球铁中的Al元素易在石墨与金属基体相界面上产生偏析。因而使用低Al含量的球化剂与孕育剂对提高球铁性能有利。