球墨铸铁中石墨形态恢复的现象

通过热处理使变形的石墨球恢复球形，研究其与变形程度及形核元素的关系，发现微熔区形成促进形态恢复。

李鹏春|杜玉洲|张敏|高伟|杨倩|楚瑞阳|杨超|王欣|闫芳媛|蒋柏玲

中国陕西省西安市科技大学材料科学与工程学院，邮编710048

摘要

在本研究中，首先将球状石墨从球墨铸铁中变形为透镜状，然后将其加热至接近球墨铸铁熔点的温度，利用原位激光冶金显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察变形石墨的形态演变。观察到球墨铸铁中石墨形态的恢复现象。变形石墨的形状恢复与石墨的变形程度及球化剂元素密切相关。微观结构观察表明，高温下碳原子从石墨扩散到奥氏体中，形成了微熔区，从而促进了石墨形状的恢复。

引言

球墨铸铁由于含有石墨而具有优异的耐磨性[1]，并且由于球状石墨减少了应力集中，因此具有优异的机械性能[2]，这使其成为各种工程应用中高性能传动部件的理想候选材料。由于石墨的膨胀效应[3]和净化杂质的能力[4]，球墨铸铁中的铸造缺陷（如微孔和杂质）相对较少[5],[6]。因此，球墨铸铁通常在铸态或热处理状态下使用[7],[8],[9]。塑性变形技术（如轧制或锻造）被广泛用于金属材料的加工，这些技术可以减少粗大的树枝晶，优化第二相分布，并消除金属中的微孔[10]。然而，这些方法在球墨铸铁中很少应用[11],[12]，因为球状石墨容易变形为不规则形状[13]，从而影响其机械性能[14]。例如，当球墨铸铁受到轧制变形时，球形石墨会变成条状形态[15]，当变形量超过65%时，石墨会破碎[16]。

值得注意的是，当基体为铁素体时，球墨铸铁具有较高的塑性，伸长率超过20%[17]，研究人员正试图对球墨铸铁进行塑性变形。例如，Heidari等人[15]对球墨铸铁进行了65%的热轧变形，获得了745 MPa的极限强度和10%的伸长率。然而，需要注意的是，球状石墨在塑性变形过程中也发生了变形。已经建立了石墨与基体之间的定量关系，表明石墨的变形程度比基体更严重[18]。为了减少球墨铸铁在塑性变形过程中的石墨变形程度，我们团队系统研究了球状石墨在不同温度下的变形行为[19]，发现基体为铁素体的样品中石墨的变形程度较小。此外，还确认高变形温度和低应变率会对球墨铸铁的石墨形态造成轻微损伤[20]。尽管如此，球墨铸铁中的球状石墨在塑性变形后不可避免地会变成非球形，从而降低其韧性。

如果变形后的非球形石墨能够恢复到原来的形状，那么塑性加工就可以用于球墨铸铁，从而扩展其应用范围。基于这一假设，我们在本研究中尝试通过热处理来改变轧制球墨铸铁中的石墨形状，并观察到了球墨铸铁中石墨形态的恢复现象，为球墨铸铁的塑性变形提供了理论依据。

材料与方法

样品采用水平连续铸造工艺制备，尺寸为100 mm × 16 mm × 10 mm[21]。使用Image J软件测量每个样品中石墨颗粒的密度，约为350个/平方毫米。通过QSN-750光学发射光谱仪测定其化学成分：碳3.62 wt.%，硅2.56 wt.%，锰0.2 wt.%，硫0.01 wt.%，磷0.032 wt.%，镁0.04 wt.%，镧0.035 wt.%，其余为铁。这些材料的成分接近共晶组成。

球墨铸铁中变形石墨的形态演变

图2显示了在不同温度下保持1145-1205°C时变形样品的SEM图像。所有样品中都检测到了包含珠光体、铁素体和石墨的微观结构。珠光体的存在表明碳的扩散在1145°C时已经开始。然而，当样品加热到1160°C以下时，石墨的形态没有明显变化（图2a-g）。只有变形石墨的尖端略有减小。

结论

通过轧制变形和形状恢复热处理，本研究得出以下结论：

(1) 球墨铸铁中的石墨颗粒可以变形为透镜状，经过热处理后可以恢复为球状。

(2) 球墨铸铁中变形石墨的形状恢复现象与石墨的变形程度及球化剂元素密切相关。

(3) 微熔区的形成

作者贡献声明

王欣：数据分析与整理。闫芳媛：数据分析。蒋柏玲：资源获取、项目管理和方法论设计。杜玉洲：写作、审稿与编辑、监督、项目管理和资金申请、概念构思。张敏：方法论设计及实验研究。李鹏春：初稿撰写、数据分析与整理。楚瑞阳：数据可视化及实验研究。杨超：软件使用与资源协调。高伟：写作、审稿与验证。杨倩：

利益冲突声明

作者声明与本研究、作者身份或文章发表无关的潜在利益冲突。

致谢

本研究得到了陕西省教育厅科研计划（项目编号25JU034）和西安科技大学国际科技合作计划（项目编号2024GHCJ001）的支持。

利益冲突声明

代表所有作者，通讯作者声明不存在利益冲突。