延性铸铁机械性能

1. 什么是延性铸铁?

公爵 铸铁 - 通常称为结节性或球形石墨铁 - 铸铁家族，但通过它的区别 球形石墨包裹体.

与灰铁不同, 其中包含片状石墨，产生压力集中器和脆性, 延性铁的结节石墨可抵抗裂纹的启动并促进抗泪液的裂缝行为.

于1940年代初开发，并由国际镍公司商业化 1948,

延性铁通过合并革新重型组件 可铸性, 高拉伸强度 (到 1000 特种成绩的MPA), 和 值得注意的延展性 (伸长一样高 20% 在完全铁素体等级).

它的矩阵可以从完全铁质（提供最大延展性）到完全珠光体（最大程度地提高强度），使工程师允许在一系列范围内量身定制特性 400–1000 MPA UTS 和 10–20％的伸长率.

通过了解其独特的结节微观结构和可调矩阵阶段, 设计师线束延性铁以满足严格的安全性, 长寿, 和成本目标.

2. 微观结构和化学

延性铸铁具有特殊的强度组合, 延性, 和精心设计的微观结构的疲劳性抗性.

尤其是两个特征 - 学形态和基质相的组成 - 定义其机械行为.

石墨形态: 结节vs. 薄片

与灰铁的石墨不同, 这会产生尖锐的裂纹压力集中器, 延性铁形成几乎球形石墨结节.

典型的结节计数范围从 100 到 300 结节/mm², 上面的结节性 80% 确保最佳的裂纹性能.

研究表明，超过200/mm²的结节计数可以提高拉伸强度 15% 与较低的结节密度相比，双重影响能量吸收.

关键要点: 球形石墨中断裂纹路径, 促进延性裂缝和能量吸收而不是脆性裂解.

基质阶段: 铁矿, 珠光体, 和混合结构

这些结节周围的铁基质进一步量身定制机械性能:

• 完全铁素体基质

• • 作品: ≥ 90% 铁矿
  • 特性: 伸长到 20%, UTS周围 350–450 MPA
  • 应用领域: 需要高延展性的组件, 例如消除震动的房屋

• 珠光体基质

• • 作品: ≥ 90% 珠光体
  • 特性: UTS 650–800 MPA, 伸长率限制为 6–8％
  • 应用领域: 高强度齿轮和轴

• 混合铁素体 - 石胶

• • 作品: 平衡阶段 (例如。, 50:50)
  • 特性: UTS 400–550 MPA 伸长 10–15％
  • 应用领域: 通用铸件结合了力量和韧性

制造商调整冷却速率（使用霉菌冷或隔热部分）以移动铁氧体 - 石英比率并击中性能目标.

合金元素和接种

精确合金化学和接种实践是一致的结节形成和基质控制的基础:

• 碳 (3.2–3.6％) 和 硅 (1.8–2.8％) 设置基线的铸造性和石墨稳定性.
• 镁 (0.02–0.06％) 充当强大的结节器; MG不足导致不规则的石墨形状.
• 葡萄或稀土 (0.005–0.02％) 进一步完善结节几何并减少残留碳化物.

铸造厂通过 接种剂 - 添加的Ferrosilicon -Magnesium合金 0.2–0.4％ 在倒入之前的重量.

适当的接种降低了石墨变性的可能性, 确保均匀的结节结构.

例如, 从中增加毫克 0.03% 到 0.05% 可以提高结节计数 20%, 通过 30% 在旋转组件中.

3. 标准分类 & 等级

ASTM A536年级名称

ASTM A536标准使用三个数字系统 (例如。, 65–45–12) 每个数字代表机械基准:

• 65 表示最小的最终拉伸强度 (UTS) 的 650 MPA.
• 45 指定最低屈服强度 (0.2% 抵消) 的 450 MPA.
• 12 表示裂缝处的最小伸长 12 百分比.

A536 通过拉伸强度定义三个主要等级, 产生强度, 和伸长:

• 65–45–12: UTS≥ 650 MPA, ys≥ 450 MPA, 伸长≥ 12%
• 80–55–06: UTS≥ 800 MPA, ys≥ 550 MPA, 伸长≥ 6%
• 100–70–03: UTS≥ 1000 MPA, ys≥ 700 MPA, 伸长≥ 3%

En -GJS NOMEN课程

在欧洲, 在 1563 用诸如GJS −400-15或GJS ‑ 600‑3等标签定义结节熨斗:

• GJS 代表“谷物球形,”指示结节石墨.
• 第一个数字 (例如。, 400) 等于MPA中的UTS (GJS-400-15→ 400 MPA).
• 第二个数字 (例如。, 15) 给出百分比的伸长率.

该度量系统与ASTM等级紧密一致: GJS ‑ 400-15大致对应于ASTM A536 65–45–12, 而GJS -600-3匹配100–70–03.

4. 基本机械性能

本节研究其关键指标 - tensile和屈服强度, 延展性和影响韧性, 和硬度 - 并说明标准化测试如何验证每个属性.

拉伸和屈服强度

延性铁的拉伸强度范围很大 350 MPA 在完全的铁素体等级 1000 MPA 专业, 高强度合金.

• 通用级别 例如ASTM A536 65–45–12表现出最终的拉伸强度 650 MPA 并产生优势附近 450 MPA.
• 高度等级 (80–55–06) 将拉伸强度推到 800 MPA 屈服 550 MPA, 而austemperper的变体很容易超过 1000 MPA.

标准拉伸测试如下 ASTM E8, 规定了恒定的跨头速度和狗骨标本的几何形状.

屈服强度 - 确定 0.2% 偏移 - 指示永久变形的发作, 指导设计师选择安全因子和负载限制.

延展性和影响韧性

延性, 在骨折时以伸长率测量, 不同 6% 在完全的珠铁熨斗中 20% 在完全铁素体等级.

对于大多数混合的马atix铸件 (例如。, 50:50 铁素体 - 素), 工程师可以期望 12–15％ 伸长, 在形成性和力量之间达到实际平衡.

影响韧性, 通过Charpy V -Notch测试评估 (ASTM E23), 通常落在之间 30 j 和 60 j 在室温下.

而且, 铁素体等级通常会吸收 70 j, 使其非常适合受到冲击负荷和动态应力的组件.

这些值强调了延性铁在突然载荷下塑性变形的能力, 降低灾难性骨折风险.

硬度和耐磨性

硬度与拉伸强度和抗磨损性密切相关.

延性铁的Brinell硬度编号 (BNN) 通常跨越 170–280 hb, 典型的成绩聚集在周围 190–230 hb.

此外, 罗克韦尔硬度测试 (例如。, 人力资源B量表) 快速提供, 热处理和基质状况的现场验证.

根据经验, 每一个 50 HB 增加Brinell硬度对应于 150–200 MPA 拉伸强度.

最后, 表面硬化或可能型延性铁 - 超过BHN值 300 - 可以忍受磨料环境和高循环磨损而不牺牲核心韧性.

关键属性的摘要

财产	典型范围	测试标准
最终的拉伸强度	350–1000 MPA	ASTM E8
产生强度 (0.2% 抵消)	250–700 MPA	ASTM E8
裂缝处伸长	6–20％	ASTM E8
夏比冲击能量	30–70 j (室温)	ASTM E23
Brinell硬度 (BNN)	170–280	ASTM E10

5. 疲劳和断裂行为

延性铁在疲劳中表现出色，因为其球形石墨结节会分散应力和缓慢的裂纹生长.

在旋转测试中, 65–45–12标本幸存下来 10⁶周期 应力振幅 200 MPA, 相比 80 MPA 用灰铁.

裂纹开始通常在表面夹杂物中发生, 但是结节石墨延迟繁殖.

与低合金钢相比, 延性铁可以达到同等的高循环疲劳寿命，密度降低20-30％, 在循环应用中节省体重.

6. 升高的温度和蠕变特性

当组件在升高温度下面临持续负荷时, 延性铸铁证明非常弹性.

工程师经常在排气歧管中部署65–45–12的等级, 涡轮增压器外壳, 和其他热区零件，因为它保持强度并抵抗时间依赖性变形直至大致 300 °C.

机械强度的热稳定性

加热后立即, 延性铁经历一些软化.

用于混合铁氧体 - 绿色等级 (例如。, 65–45–12), 室温拉伸强度附近 650 MPA 下降到大约 550–580 MPA 在 250 °C (≈85–90％保留).

在 300 °C, UTS仍大致测量 500 MPA, 使设计人员能够依靠高振动环境中的可预测的负载能力.

蠕变阻力和终生估计

爬行 - 斯洛, 在恒定载荷下不可逆的变形 - 重点在热门组件中至关重要.

对65–45–12延性铁的蠕变测试显示在 250 °C 在压力下 200 MPA:

• 主要蠕变 (应变率减速) 跨越第一个 100–200 h.
• 次要 (稳定状态) 蠕变 以低应变率的收益 10⁻⁷s⁻, 暗示少于 1% 额外的伸长 1 000 h.

通过Larson -Miller参数推断, 工程师预测 10 000 h 到 1% 蠕变应变 在 200 MPA/300°C, 许多涡轮增压器和排气歧管的服务要求.

延性铁中的蠕变机制

在延性铁中蠕变涉及铁素体基质内的脱位滑行，并在铁素体 - 素石界面上滑动.

石墨结节充当障碍, 进一步减慢变形. 与灰铁相比, 延性铁证明 2–3× 较高的蠕变破裂生活在相同的应力 - 温度条件下.

典型的高温应用

• 排气歧管: 峰值表面温度最高 600 °C, 背景结构看到了200–300°C的服务.
  延性铁能够忍受环境和环境之间的骑行能力 300 °C而不开裂使其理想.
• 涡轮增压器外壳: 不断接触 350–450°C 废气需要热冲击性和蠕变稳定性.
  等级，例如80–55–06 (800 MPA UTS) 经常在这里服务, 多亏了它们较高的珠光体含量和矩阵稳定性.

设计含义

给定此数据, 设计师应该:

1. 按工作温度指定等级: 最多使用铁素体等级 250 °C, 以及混合或珠光体等级 (例如。, 80–55–06) 当温度悬停在接近 300 °C.
2. 解释蠕变: 包含 1–2％ 长期蠕变应用中的其他部分厚度，以弥补预期的服务寿命.
3. 应用安全因素: 增加设计应力范围 20–30％ 高于稳态的蠕变应力，以防止意外的热尖峰.

7. 制造业 & 热处理效应

而延性铸铁的微结构和构图为其机械性能奠定了基础, 这 制造过程 和 播后热处理 确定最终表现.

通过控制 倒入参数, 冷却率, 结节计数, 和 热处理, 铸造量量身定制的延性铁，以满足严格的申请需求.

倾泻练习和冷却速度

铸造厂在温度下倒熔融延展铁 1420 °C和 1480 °C 为了确保完全填充模具而不会过多氧化.

倒入后, 这 冷却速率, 受霉菌材料的影响, 截面厚度, 和寒意, 指示铁素体素的平衡.

例如, 一个 15 毫米墙壁冷却 5 °C/s 通常产生〜60％珠光体, 提高拉伸强度 550 MPA 和 8% 伸长.

相比之下, 同一部分冷却 1 °C/s 开发约80％的铁氧体, 实现 400 mpa uts和 15% 伸长.

工程师利用这些冷却效果来优化铸件: 高强度齿轮的更快冷却, 较慢的冷却以抗冲击的住房.

结节计数和接种技术

石墨结节性 - 作为结节石墨的百分比与. 总石墨面积 - 急切地取决于接种.

铸造接种增加 0.2–0.4％的铁硅粉合金 到钢上, 生产 80–95％结节性 和150–250结节/mm².

对于临界磨损表面, 病例接种 (“表面接种”) 增强最后一口流, 升高表面结节密度 10–20％ 没有更改核心微观结构.

这种双重方法可确保整个厚部分的一致机械性能，并在最重要的情况下最大化耐磨性.

热处理方法

热处理是一个强大的工具 调整机械性能 用于特定工程应用的延性铸铁. 常用技术包括:

• 退火: 通常在870–950°C下进行, 然后是慢炉冷却, 退火将珠光体矩阵转变为铁素体的矩阵, 极大地增强了延展性和影响抗性.
  它通常用于需要高韧性和低脆性的组件.
• 标准化: 用空气冷却在〜900°C下进行, 此过程完善了谷物结构，并促进了更均匀的珠光体或混合基质.
  它增强了强度和可加工性, 使其适合齿轮, 集线器, 和括号.
• 东部回火: 这种高级热处理将延性铁转化为 奥斯特延延延性铁 (阿迪) 通过将铸件淬灭 (〜250–400°C) 并持有直到bainitic矩阵形成.
  最终的结构表现出优异的强度 (到 1,400 MPA) 并保持耐药性，同时保持合理的延展性.

过程控制和一致性

维持紧密的过程控制 - 在±10°C内进行监视倒入温度, 跟踪接种剂在±0.02％以内, 并验证霉菌温度 - 确保批量重复性.

原位热电偶和自动接种系统警告操作员偏离偏差, 防止微结构异常（例如结节性）下降到下方 75% 或碳化物形成过多.

这些质量控制措施维护机械性能目标并最大程度地降低废料率.

8. 延性铁的施用

汽车行业

• 曲轴 - 由于它们的高疲劳性和韧性, 延性铁曲轴可以在动态载荷下承受数百万个周期.
• 差分案件和齿轮 - 受益于合金的耐磨性和吸收冲击的能力.
• 转向指关节, 控制臂, 和悬架组件 - 延展性和高拉伸强度的组合可确保安全性和性能.

泵和阀

• 泵外壳和叶轮
• 阀体, 油, 和气体系统
• 市政和工业应用中的管道配件和法兰

风能可再生能源

• 变速箱外壳
• 转子轮毂
• 轴承载体

农业和重型设备

轴外壳等组件, 括号, 轨道辊从延性铁铸造，其能够在大载荷下抵抗变形及其易于制造成形的形状的能力.

油, 气体, 和海洋工业

• 管道系统
• 离岸平台组件
• 海底歧管

9. 与其他材料的比较分析

这是一个综合比较表，可巩固延性铸铁的性能特征, 灰色铸铁, 锻造钢, 和可甲性延性铁 (阿迪) 进入专业桌子:

10. 结论

延性铸铁站在具有成本效益的铸造和高度机械性能的十字路口.

它是 结节石墨 结构赋予力量, 韧性, 和抗疲劳性, 合金和处理允许针对特定应用程序进行微调.

通过遵守标准分类, 控制微观结构, 并实施严格的质量协议, 工程师线束延性铁可生产安全的, 耐用的, 和经济组成部分.

作为创新 阿迪 和添加剂制造出现, 延性铸铁将继续发展, 增强其作为现代工程中基石材料的作用.

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