高性能蠕墨铸铁强韧性与导热性研究

【摘要】铸铁材料由于具有很好的强韧性、耐热性、铸造性能和阻尼减震性能,一直是柴油机缸盖的理想材料。但随着现代柴油机功率密度的不断提高,柴油机缸盖承受的热负荷和机械负荷不断提高。不但要求缸盖材料具有很好的强韧性、耐热性和抗疲劳性,还要求具有较优良的导热性能,以缓解由于局部过热引起的热应力。目前,对不同合金化铸铁的强韧性研究很多,但很少综合关注其强韧性和导热性。为了得到一种综合性能优良的高性能蠕墨铸铁,本论文设计制备了四种不同合金含量的蠕墨铸铁(普通蠕墨铸铁(RuT)、Cu-MoRuT、Cu-Mo-SnRuT、Cu-Mo-Sn-CrRuT),采用光学金相、扫描电镜、力学性能测试、原位拉伸试验、导热性能测试等手段,综合对比分析了多元低合金化对蠕墨铸铁的显微组织、拉伸性能、压缩性能、断裂特性和导热性能的影响规律。研究结果表明,多元合金的复合加入,对蠕化效果无明显影响,但可细化石墨,增加珠光体含量,并细化珠光体层片间距,使其分布更加均匀；多元低合金化处理可显著提高蠕铁的室温力学性能；相对普通RuT,含Cu-Mo-Sn-Cr的蠕墨铸铁,抗拉强度由358.9MPa提高到508.5MPa,提高了42%；屈服强度提高了55%,硬度提高了82%,抗压强度提高了125%,屈强比由0.8提高到0.88,延伸率还能保持在1.5%以上；多元低合金化处理还可以大大提高蠕铁的高温力学性能和高温强度保持率(室温强度／高温强度),与普通RuT相比,含Cu-Mo-Sn-Cr蠕墨铸铁500℃的抗拉强度由202.9MPa提高到376.1MPa,提高了87%,屈服强度提高了81%；高温强度保持率由0.55提高到0.64以上。原位拉伸试验表明：蠕铁的微裂纹均起源于石墨内部基面处和石墨-基体界面处,沿着石墨弯曲的方向或与应力有利的方向扩展；主裂纹在试样边界较为粗大的石墨处形成；在载荷的作用下更多的微裂纹萌生,微裂纹和主裂纹有选择性的连接；裂纹在基体中易沿着铁素体相扩展,而珠光体含量较高时,断裂应力很大,可将层片状渗碳体切断；当外加应力高于断裂所需应力时,主裂纹迅速连接并扩展至整个试样。对比灰铸铁和蠕墨铸铁的裂纹发现,蠕虫状石墨内部基面间的微裂纹可以有多个,裂纹弯曲程度较大,且撕裂现象明显。对比分析了多元低合金化和蠕化率对蠕铁导热性能的影响。结果发现：在200℃以内,随着珠光体含量的提高,蠕铁的导热系数降低；100℃时,珠光体含量40%的Cu-MoRuT的导热系数为38.8W·m-1K-1。随着温度的升高,不同合金蠕铁的导热系数下降的程度不同；四元合金化Cu-Mo-Sn-CrRuT的导热系数随着温度下降最慢,400℃以上时其导热性能最好。随着蠕化率的增大,蠕铁的导热系数增大；随着温度的升高,蠕化率为50%和80%的蠕铁,从100℃开始,随着温度的升高导热系数缓慢增大,每100℃增加0.4W·m-1K-1～0.6W·m-1K-1,在250℃-350℃之间出现最大值后降低；蠕化率20%的蠕铁在500℃以内随温度下降缓慢降低,400℃以内只降低了1W·m-1K-1。蠕铁的导热系数随温度的变化呈不同的特征是石墨和基体共同影响,基体以自由电子导热为主,石墨以声子导热为主,有的蠕铁的导热系数随温度的升高而升高是石墨导热引起的。
【作者】陶栋；
【导师】杨忠；
【作者基本信息】西安工业大学，材料物理与化学，2014，硕士
【关键词】蠕墨铸铁；多元低合金化；力学性能；原位拉伸；断裂机理；导热系数；

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