高强度高弹性模量低残余应力铸铁的制备与组织性能分析

论文摘要

本文通过对常用高强灰铸铁组织与性能关系的研究,开发出一种不含镍、钼等合金元素的新型灰口铸铁材料。通过金相显微镜、拉伸试验机等试验设备分析了新型铸铁材料的显微组织,测定了新型铸铁材料的抗拉强度、弹性模量、耐磨性能、密度、冲击韧性及抗弯强度等机械性能,并对新型灰铸铁的冶金性能做出评估。实验结果表明:新型灰铸铁材料的抗拉强度高达343.3MPa,弹性模量为113.7GPa,抗弯强度659.9MPa,冲击功为3.9J,密度为7.3206g/cm~3,并且残余应力较低为67.2MPa。相对于通用的HT300高强铸铁,新型铸铁材料的抗拉强度提高了8.2%,抗弯强度提高了12.2%,布氏硬度提高了6.2%,耐磨性能提高了6.5%。而且,新型铸铁材料的共晶度、成熟度和品质系数等冶金性能均满足理想值。因此,新型灰铸铁材料是一种高强度、高弹性模量、低应力的新型铸铁材料。本文还探索了退火、多元共渗和等温淬火等热处理工艺对灰铸铁性能的影响。经过一次退火工艺后,灰铸铁的残余应力降低了23.3%～44.3%。经过多元共渗工艺处理后,灰铸铁的表层的显微硬度高达780HV,是基体的3倍;耐磨性能提高了69.8%;耐蚀性能提高到312小时腐蚀级别为9级。经过等温淬火工艺处理后,灰铸铁的抗拉强度高达451.3MPa,比原材提高了42.2%;耐磨性能提高了47.99%:布氏硬度提高了16.6‰冲击功提高了20.8%。因此退火工艺、多元共渗工艺和等温淬火工艺能有效的改善灰铸铁的性能。本文最后讨论了新型铸铁性能优良的原因并利用固态相变及热力学的知识分析了石墨的形核长大过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 铸铁材料在工业生产中的作用
• 1.2 铸铁力学性能研究现状
• 1.3 提高灰铸铁的强度研究现状
• 1.3.1 降低C、Si含量以提高灰铸铁强度
• 1.3.2 孕育铸铁
• 1.3.3 低合金灰铸铁
• 1.3.4 热处理
• 1.4 提高灰铸铁弹性模量研究现状
• 1.4.1 温度对灰铸铁弹性模量的影响
• 1.4.2 石墨形态对灰铸铁弹性模量的影响
• 1.4.3 合金元素对灰铸铁弹性模量的影响
• 1.5 灰铸铁残余应力研究现状
• 1.6 石墨的分类及晶体结构
• 1.7 灰铸铁的熔炼
• 1.7.1 冲天炉熔炼法
• 1.7.2 感应电炉熔炼
• 1.7.3 双联熔炼作业
• 1.8 化学成分的影响
• 1.8.1 灰铸铁常规五大元素对性能的影响
• 1.8.2 合金元素对灰铸铁性能的影响
• 1.9 本论文研究的内容、实验思想和创新性
• 第二章 实验材料与实验方法
• 2.1 实验用对比材料
• 2.2 金相
• 2.3 抗拉强度及弹性模量
• 2.4 硬度
• 2.4.1 布氏硬度原理
• 2.4.2 显微硬度
• 2.5 抗弯强度
• 2.6 密度
• 2.7 冲击韧性
• 2.8 耐磨性能
• 2.9 腐蚀性能
• 2.10 残余应力
• 2.10.1 应力框测试残余应力原理及方法
• 2.10.2 X射线测残余应力原理及方法
• 第3章 实验结果
• 3.1 新成分灰铸铁的试制
• 3.2 新型铸铁的金相组织及性能
• 3.2.1 新型铸铁的设计成分及冶炼成分
• 3.2.2 新型铸铁的金相
• 3.2.3 新型铸铁的性能测定结果及分析
• 3.3.4 新型铸铁的冶金性能
• 3.4 铸铁的残余应力
• 3.5 本章小结
• 第四章 热处理对灰铸铁性能的影响
• 4.1 人工退火（热时效）对灰铸铁残余应力的影响
• 4.2 等温淬火贝氏体转变
• 4.2.1 等温淬火后试件的金相组织
• 4.2.2 等温淬火后试件的耐磨性能
• 4.2.3 等温淬火后试件的布氏硬度
• 4.2.4 等温淬火后试件的冲击韧性
• 4.2.5 等温淬火后试件的抗拉强度
• 4.3 低温气体多元共渗
• 4.2.1 多元共渗试件的金相组织
• 4.2.2 多元共渗后试件的耐磨性能
• 4.2.3 多元共渗渗层的显微硬度
• 4.2.4 多元共渗后铸铁的耐蚀性能
• 4.4 本章小结
• 第五章 新型铸铁强化机理分析
• 5.1 试制铸铁综合性能偏低原因分析
• 5.2 新型铸铁机械性能良好机理分析
• 5.2.1 新型铸铁弹性模量高原因分析
• 5.2.2 新型铸铁抗拉强度高原因分析
• 5.2.3 新型铸铁其它性能良好原因分析
• 5.3 新型铸铁残余应力较低原因分析
• 5.4 新型铸铁石墨形核长大过程
• 5.4.1 铸铁熔液的结构
• 5.4.2 新型铸铁石墨的形核过程
• 5.4.3 新型铸铁石墨的长大过程
• 5.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士研究生期间发表的论文