-20℃～-40℃环境条件下铸态厚大断面球墨铸铁的低温冲击性能

Low temperature impact properties of heavy section spheroidal-graphite iron under -20℃～-40℃ conditions is chosen as subject, main contents are as follows : (1)Effect of spheroidization grade on low temperature impact properties;(2) Effect of cooling rate and different wall thickness on both microstructure and low temperature impact properties;(3) Effect of cool iron and casting mold on low temperature impact properties of heavy section ductile iron; (4) Effect mechanism of environment working temperature(-20℃～ -40℃) on low temperature impact process. Innovative contents of this research are as follows:(1) Obtaining the relationship between spheroidization grade and low temperature impact properties;(2) Determination effection low of cooling rate and the process parameters on low temperature impact properties and optimization of cooling parameters;(3) research on mechanism of macro and micro defects onlow temperature impact process at -20℃～ -40℃. Science significance of these research are: reveal changing law of spheroidization grade and cooling rate on low temperature impact properties of heavy section ductile iron；confirm cooling rate range and optimized cooling parameters of heavy section spheroidal-graphite iron, as well as finding the main influence factors on low temperature impact properties from macro and micro defects under -20℃～ -40℃ working temperature.

本项目主要研究内容包括：(1)厚大断面球铁球化效果对低温冲击性能的影响；(2)壁厚及冷却速度对凝固组织、低温冲击性能的影响；(3)冷铁、铸型等工艺手段对厚大断面球墨铸铁低温冲击性能的影响；（4）-20℃～ -40℃环境工作温度对低温冲击性能变化的影响机理。创新点为： 建立球化等级与低温（-20℃～ -40℃）冲击性能之间的依存关系；确定冷却速度和冷却工艺手段对低温冲击韧性的影响规律；研究低温（-20℃～ -40℃）范围内，位错、晶界、偏析、夹杂物等缺陷在裂纹形成、长大中的作用机制。其科学意义在于：揭示厚大断面球墨铸铁球化效果对低温冲击性能的影响规律，确定满足厚大断面球墨铸铁低温冲击性能的冷却速度范围和合适的冷却工艺参数；从宏微观缺陷中找出-20℃～-40℃环境工作温度变化对低温冲击性能影响的主要因素。

主要研究内容与重要结果：.1）．石墨等级每增加一级冲击吸收功提高30%~40%左右。裂纹会优先选择沿着碎块状石墨和畸形石墨附近扩展。当Ni元素加入量为0.7%时，低温冲击韧性最佳。.2）．Si、Ni影响铸态球墨铸铁组织成分的电子机理为，Ni降低了C原子在奥氏体中的扩散和析出能力，降低共析转变温度，有利于珠光体的形成。同时Ni原子对渗碳体的分解能力不强，珠光体组织得以保留；Si提高渗碳体的形成能，渗碳体向奥氏体晶界排出Si原子，富集在晶界的Si原子降低了C原子的溶解度，使得奥氏体的成分点向低碳方向平移，导致渗碳体的生长受阻而铁素体则可以继续生长。.3）．随着壁厚的增加，冷却速度与过冷度都逐渐减小。当凝固时间超过180min以后，只有少量的球状石墨析出。在凝固时间达到240min以后，组织中出现了碎块状石墨，此时是石墨球析出的终结时刻。.4）．低温冲击作用下解理裂纹启动和扩展遇到粗大晶粒的概率也相应较高，低温下位错在晶界处的塞积导致微裂纹更容易在晶界处萌生。晶界处夹杂物的存在易引起显微孔洞的连接导致材料最终断裂。石墨对球墨铸铁冲击断裂行为的影响首先是通过石墨与基体界面的断裂行为引起的，石墨与基体的弹性模量之差越大越容易在石墨与基体界面处萌生裂纹，二者之差越小则越容易在石墨内部开裂。.5）．随着温度的降低位错密度有所降低可动位错数目减少。根据位错理论及微观断口转变机制，对铁素体球铁韧脆转变温度表达式进行理论推导，表明铁素体晶粒越大、石墨球尺寸越大、石墨球间距越小、韧脆转变温度越高。.6）．基于位错动力学理论及Johnson-Cook本构模型建立了描述QT400-18L球墨铸铁塑性变形行为的数学模型，模型计算值与实验结果有着相同的变化规律，发现在230K出现一临界温度即韧脆转变温度。.其科学意义在于揭示厚大断面球墨铸铁球化效果对低温冲击性能的影响规律，确定满足厚大断面球墨铸铁低温冲击性能的冷却速度范围，从宏观缺陷中找出-20℃~-40℃环境工作温度对低温冲击性能的影响机理等。.