加筋复合白口铁的强韧化及断裂方式

D0I:10.13374/j.issm1001-053x.1991.02.005 第13卷第2期 北京科技大学学报 Vol.13 No,2 1991年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing March 1991 加筋复合白口铁的强韧化及断裂方式 赵爱民·王兆昌· 摘要：研究了加筋式复合白口铁的机械性能、强韧化机理及其断裂方式。实验结果表 明：加筋复合白口铁的机械性能优于单一的白口铁，其抗弯强度及冲击韧性随钢筋的体积分 数的增加而增加，在合适的钢筋体积分数时强韧化效果最好。对复合白口铁的冲击试样的断 口进行SEM观宾，发现复合白口铁中钢筋有3种断裂方式，即完全脆性断裂、部分脆性断 裂和韧性断裂，它们影响复合白口铁的强度和冲击韧性。 关键词：白口铁，复合材料，锅筋强化，韧化 Strengthening,Toughening and Fracture Behavior of Composite White Cast Iron Zhao Aimin Wang Zhaochang' ABSTRACT:The strengthening,toughening and fracture behavior of composite white cast iron which was composed of reinforcement steel bar and white cast iron have been researched.The results of bend tests and impact tests of specimens of composite white cast iron indicated that the bending strength and impact toughness of it were superior to those of straight white cast iron. The improvements of bending strength and impact toughness were related to the volume fraction of reinforcement bar.Three fracture modes of steel bar in composite white cast iron were found by examining the surfaces of fracture by SEM.Those were brittle fracture,ductile fracture and mixed fra- 1990-10-13收稿 ·治金系(Department of Metallurgy) 123

第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 。 。 加筋复合白口 铁的强韧化及断裂方式 赵爱民 ， 王兆 昌 ， 摘 要 研究了加筋式 复合白口 铁的 机械性能 ， 强 韧化 机理 及其断裂 方式 。 实脸 结 果 表 明 加筋 复合白口 铁的机械性能优于单一 的白 口 铁 ， 其抗弯强 度及冲击 韧性随钢舫的体积分 数的增加而增加 ， 在合适的钢 筋体积分数时强 韧化效 果最好 。 对 复合 白口 铁的 冲击 试样的断 口 进行 观察 ， 发现 复合白口 铁中钢 筋有 种断 裂方式 ， 即完全脆性断裂 、 部分脆性断 裂和韧性断裂 ， 它们影响 复合 白 口铁的强度和冲击韧性 。 关挂词 白口 铁 ， 复合材料 ， 铜筋弧 化 ， 切化 、 ， 平 夕 夕 ， 五 。 五 五 。 。 ， 一 一 收稿 冶金系 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．02．005

cture,and thus the different strength and toughness of composite white cast iron were effected. KEY WORDS:white cast iron,composite materials,steel bar reinforcement, toughening 白口铁是一种优良的抗磨材料，但其韧性很低，在实际应用中受到一定的限制。国内外 有不少人在研究改善白口铁的韧性，都取得一定效果，如高合金化，变质处理，等温热处 理，轧制处理等方法都在一定程度上改善了白口铁的韧性，但仍难应用于既受到一定的冲 击载荷又受到严重磨料磨损的工况条件下，如顎式破碎机齿板，圆锥式破碎机的衬板等。目 前很多研究工作试图将具有优良抗磨性的白口铁与高强度和高韧性的材料进行复合，形成复 合白口铁应用到这种工况条件下，并且取得了很好的技术经济效果，如复合白口铁锤头及打 击板等1。 目前复合白口铁大多数是由白口铁与钢所组成，其中有一种加筋式复合白口铁)，是 在白口铁工件中，根据工况及受载条件按照一定的设计布置，内置-一定数量的钢筋，类似纤 维复合材料。本文研究这种加筋式复合白口铁的机械性能及其断裂行为。 1实验方法及设备 加筋复合白口铁中，钢筋具有强化和韧化作用，因此本实验主要考察复合白口铁的强度 和韧性。 1.1复合试样的制备 复合白口铁是由白口铁和钢筋两种组元形成，因此用来测量机械性能的试样的截取和制 备，并不象单一材料那样简单。假设这种加 筋复合白口铁中钢筋的分布是均匀的，且钢筋 的直径都相等，如图1所示。可将这种加筋复 合白口铁划分为很多等分的单元体，其中钢筋 的分布和所含的钢筋根数都是相同的。取这样 的单元体作为复合试样来测量复合白口铁的机 械性能。如图1所取的单元体1只含有一根钢 筋，而单元体2中则含有4根钢筋。 White east iron 对于板形件，可以将单元体划分为长方体 ●●●● Steel bar 形状。图2是只含一根钢筋的长方体复合试样 图1钢筋分布示意图 示意图。 Fig.I Schematic drawing of distribution 根据国际标准化组织(ISO)所推荐的复合 of steel bars 材料3点弯曲试样尺寸3，结合本课题的实 际情况在抗湾试验中采用的复合试样尺寸为15mm×15mm×150mm;冲击韧性的测量中， 采用10mm×10mm×55mm标谁的无缺口试样。 采用镶铸方法制备实验所需的复合试样，镶铸时应注意提高复合试样的尺寸精度和保证 124

任 ， 以 五 。 ， ， ， 白口 铁 是一种 优 良的抗 磨材料 ， 但其韧 性很低 ， 在 实际应 用 中受到 一定 的限制 。 国内外 有不少人 在研 究改善 白口 铁 的韧性 ， 都取得 一定效果 ， 如 高合金化 ， 变质 处 理 ， 等 温 热 处 理 ， 轧 制处理等方 法都在一定程度上改善了 白口铁 的韧 性 ， 但 仍难应 用于 既受到 一 定 的 冲 击载荷 又 受到严重 磨料磨损的工况 条件下 ， 如 额式破碎机齿板 ， 圆锥式破碎机 的衬板等 。 目 前很多研究工 作试 图将具有优 良抗 磨性的 白 口 铁 与高强 度和高韧性 的材料进 行复合 ， 形成复 合 白口 铁应用到 这 种工况 条件下 ， 并且取得了 很好的技术经济效果 ， 如复合 白口 铁锤头及打 击板等 〔 ‘ 〕 。 目前复合 白 口 铁大 多数是 由 白口 铁 与钢所组成 ， 其中有一种加筋式复合 白 口 铁 〔 “ ’ ， 是 在 白口 铁工件中 ， 根据工况 及受载条件按照一定 的设计布置 ， 内置一定数量 的钢 筋 ， 类似纤 维复合材 料 。 本文 研 究 这种加筋式复合 白口 铁 的机械性能及其断 裂行为 。 实验方法及设备 加筋复合 白口 铁中 ， 钢 筋具有强化和韧化 作用 ， 因此本实验 主要考察复合 白口铁 的强 度 和韧性 。 复合试样 的制备 复合 白口铁是 由 白口铁和钢筋两 种组元形成 ， 备 ， 并不象单一材料那样简单 。 假 设 这 种 加 筋复合 白 口 铁中钢筋 的分布是 均 匀的 ， 且钢 筋 的直径都相等 ， 如 图 所示 。 可将这种加筋复 合 白口 铁划分为很多等分 的单元体 ， 其中钢筋 的分 布和所含 的钢筋根数都是相 同的 。 取这样 的单元体 作为复合试样 来测量复合 白口 铁 的机 械性能 。 如 图 所取 的单元体 只含有一根钢 筋 ， 而单元体 中则含有 根钢筋 。 对于板形 件 ， 可以 将单元体划分为长方体 形状 。 图 是只 含一根钢筋的长方体复合试样 示意图 。 根据国际标准化组织 所推荐 的复合 材料 点 弯曲试样尺 寸 〔 ’ ， 结合本课题 的 实 因此用来测量机械性能的试样 的截取和制 … 一 一 一 ， 。﹁ 、 尸… … … ‘ 一 二 户 · 图 钢 筋分布示 意 图 际情况 在抗 弯试验中采用 的复合试样 尺寸 为 冲击韧 性 的测量 中 ， 采用 标准 的无缺 口 试样 。 采用 镶铸方法制备 实验所需 的复合试样 ， 镶铸时应注意提高复合试样 的尺寸精度和保证

Steel bar White east iron 图2复合试样盛图 Fig.2 Schematic drawing of composite specimen 钢筋安放位置的准确性。镶铸前应对钢筋进行表面处理，其处理工艺为盐酸去锈再经过钠盐 防锈水处理。 1.2抗弯强度的测量 在30t万能材料试验机上进行3点弯曲实验，跨距为110mm。测得试样破断时的作用 力P,按公式M=3P112bh2计算出抗弯强度，式中1为跨距，h,b分别明试样的高和宽。 1.3冲击韧性cx值的测量 实验在JB5型摆锤式冲击试验机上进行，测量试样被冲断所吸收的冲击功W,由aK= W/A,计算出ar值。 2实验结果分析 2.1复合白口铁抗弯强度测量结果 应用正交试验来考察镶铸工艺因素对抗弯强度的影响，结果如表1所示。经过方差分析 得到所考察的3个因素对复合白口铁抗弯强度影响情况，其中钢筋的体积分数”，最显著(F 比为897.4)；钢筋的预热温度次之(F比为7.53)，而浇注温度不太显著。 表1镶铸工艺因素对复合试样抗弯强度的影响 Table 1 Influence of composite casting technological parameter on the bending strength of composite specimen 试样号 钢筋预热温度 浇注温度 锅筋的体积分数 抗弯强度 C ℃ Vr, Ge,N/mm2 B111 室 温 1400 5.6 656.0 B112 室 温 1400 12.6 805.6 B121 型 温 1500 5.6 664.9 B122 室温 1500 12.6 802.3 B131 200 1400 5.6 644.3 B132 200 1400 12.6 787.3 B141 200 1500 5.6 647.6 B142 200 1500 12.6 796.3 说明：表中所有试样采用中铬白口铁镶伟而成。 125

图 复 合 试样示 意 图 ‘ 钢筋安放位置 的准确性 。 镶铸前应对钢筋进行 表面处理 ， 其处理 工艺为盐酸去 锈再经过钠盐 防 锈水处 理 。 抗弯强 度的洲且 在 万能材料试验机 上 进 行 点 弯 曲实验 ， 跨距 为 。 测得试样 破断 时 的 作 用 力 尸 ， 按 公 式 『‘ 二 尸 计算 出抗 弯强 度 ， 式 中 为跨距 ， ， 分 别 明试 样 的高和宽 。 冲击韧 性 ‘ 值 的浦 实验 在 型 摆锤式 冲击试验机上进行 ， 测量试样被冲断所吸收 的冲击功 不 ， 由 二 平 ， 计算 出 二 值 。 实验结果分析 。 复 合白 口 铁抗弯强 度洲 结 果 应用 正 交试验 来考察镶铸工艺 因素对抗 弯强 度的影 响 ， 结果如 表 所示 。 经过方差分析 得到所考察 的 个 因素对复合 白口 铁抗 弯强度影 响倩况 ， 其中钢筋 的体积分数厂 最 显著 比为 。 钢筋的预热温 度次之 比为 ， 而浇注温度不太显著 。 表 镶铸工 艺 因素对 复合试样 抗有强度的影晌 试 样 号 钢筋 预热温 度 ℃ 浇注 温度 ℃ 钢 筋的 体积分数 ， 抗 弯强 度 仃 。 ， 位 室 温 凌 。 。 室 温 。 。 室 温 。 。 室 温 。 。 。 。 。 。 。 。 说明 表中所有 试样采用 中铬 白 口 铁镶铸而 成

从表1中可看出随着V,的增大，复合白口铁的抗弯强度增高，而钢筋经过预热处理以 后，复合白口铁的抗弯强度下降。这是因为复合白口铁加筋强化机理有两个方面：一方面钢 筋的强度比白口铁高，在复合白口铁中起强化作用；另一方面钢筋相当于内冷铁，对白口铁 凝固起激冷作用，使其结晶组织细小，提高了白口铁组元的强度，从而使复合白口铁的强度 增加。在镶铸时将钢筋预热，就会降低钢筋的激冷作用，而使复合白口铁的抗弯强度下降。 为了考察V:对复合白口铁抗弯强度的影响情况，进行弯曲试验，测量结果如图3所示。由 此可以看出随着V,的增加，复合白口铁的σc增高。根据复合材料纵向强度的混合定则： 1000r 6817 oB8B B814 800 oB812 B811 6004 名 400 2.04.0 6.08.010.012.014.0 Vr, 图3钢筋的体积分数对抗弯强度的影响 Fig.3 The influence of fraction of steel bar on the bending strength 0c=0rVr+gMVM。其中0r、Ow、Oc分别为增强物r4、基体和复合材料的强度； V。、VM,分别为增强物、基体的体积分数。假如加筋复合白口铁中钢筋和白口铁的强度在 复合时没有发生改变，因VM=1一V,则由混合定则可知复合白口铁的强度与钢筋体积分 数呈线性关系如果以M=603.8N/mm2和or=2000N/mm2代入上式，则得c=1396.2Vs +603.8,在图3中画出此线。从图3中可以看出试验测出0c与严，并不呈线性关系，而是呈曲 线关系，且测出的心。值比按混合定则计算出的值要高。这说明加筋复合白口铁的强化作用不 仅仅是钢筋本身强度比白口铁高这一个方面，而且还有另外的强化因素。经过对复合试样进 行金相检查，发现加筋后，白口铁晶粒细小，使白口铁组元的强度提高，这是加筋复合白口 铁强化的另一方面的原因。钢筋愈粗，在其周围受到激冷作用的局部铸件，其晶粒细化的区 域愈大。 2.2冲击韧性测量结果 冲击韧性测量结果如图4所示，可以看出钢筋的体积分数、白口铁种类和时效处理等因 素对复合白口铁的冲击韧性都有较大的影响。 (1)钢筋的体积分数V,对冲击韧性ax的影响 从图4可看出V,对复合试样的ax值有很大的影响，而且随着V.增大，ax值增大。V,值 不同，ax值增大的幅度不同，这说明加筋有韧化作用，其效果与V,有很大关系。 当V。<5%时，ax变化不大，韧化作用并不十分明显；当V,=(5~8)%时，ax值提高的 幅度较大影当V,>8~10%时，0g急剧增加，其值是单一的白口铁的ax值的5~15倍，这与 复合白口铁抵抗断裂的能力有关。 126

从 表 中可看 出随 着 厂 的增大 ， 复合 白口 铁的抗弯强度增高 ， 而钢筋经过预热处理 以 后 ， 复合 白口 铁的抗弯强 度下降 。 这是 因为复合 白 一 口铁加筋强化机理有两 个方面 一方面钢 筋的强 度 比 白 口 铁高 ， 在 复合 白 口 铁中起强化 作用 另 一方面钢筋相 当于内冷铁 ， 对白 口铁 凝固起激冷作用 ， 使其结 晶组织细小 ， 提高了 白口铁组元的强 度 ， 从而使复合 白口铁的强 度 增加 。 在镶铸时将钢筋预热 ， 就会降低钢筋 的激冷 作用 ， 而使复合 白口 铁 的抗 弯强 度下降 。 为了 考察 对复合 白口铁抗弯强度的影 响情况 ， 进行弯 曲试验 ， 侧量结果如 图 所 示 。 由 此可以看 出随着 ， 的增加 ， 复合 白口 铁的 ， 。 增高 。 根据复合材料纵 向强度的 混合定 则 。 已 住 ‘ 一 一 ， 曰口曰口 一尸户户口 一 ‘户口口曰闷口 曰日 。 名、 。。 图 几 己 钢筋的体积分数对 抗弯强度的影响 ‘ 。 ‘ ， ， 十 气 · 从 。 其中 ‘ ， 、 。 ，、 。 。 分别为增强物 “ ’ 、 基体和复合材料的 强 度 犷 、 犷 ， 分别为增强物 、 基体的 体积分数 。 假如加筋复合 白口 铁中钢筋和 白口 铁的强 度 在 复合时没 有发生改变 ， 因 犷、 一 ， 则 由混合定则可知复合 白口铁的强度与钢筋体 积 分 数呈线性关 系 。 如果以。 二 二 了 “ 和 ， “ 代入 上式 ， 则得『 二 犷 。 ， 在 图 中画 出此线 。 从 图 中可以看 出试验测出『。 与 并不呈线性关 系 ， 而是呈 曲 线关 系 ， 且侧 出的，。 值 比按混合定则 计算 出的 值要高 。 这说 明加筋复合 白口 铁的强化作用不 仅仅是钢筋本身强度比 白口 铁高这一个方面 ， 而且还有另外 的强化 因素 。 经过对复合试样进 行金相检查 ， 发现加筋后 ， 白口铁晶粒细小 ， 使 白口铁组元的 强 度提高 ， 这 是加筋复合 白口 铁强化的 另 一方面的原 因 。 钢筋愈粗 ， 在其周围受到激冷作用 的 局部铸件 ， 其晶粒细化的区 域愈大 。 。 冲击韧 性 洲 结果 冲击韧 性测量结果如图 所示 ， 可以看 出钢筋的体积分数 、 白口铁种类和时效处理等 因 素对复合 白口 铁的 冲击韧性都有较大的影响 。 钢筋的体积分 数 厂 对 冲击韧性 。 的影响 从 图 可看 出厂 对复合试 样的 气 值有很大的影 响 ， 而 且随着犷 增大 ， 气值增大 。 犷 值 不 同 ， “ 值增大的幅度不 同 ， 这说 明加筋有韧化 作用 ， 其效果 与 犷 有很大关 系 。 当厂 时 ， 变化不大 ， 韧化 作用 并不 十分 明显 多 当犷 时 ， 叭值提 高的 幅度较大 ， 当厂 时 ， 气急剧增加 ， 其值是单 一的 白口 铁的 。 值的 倍 ， 这与 复合 白口 铁抵抗断裂的能 力有关

30.0 20.0 10.0 3 0.0L 0.02.04.06.08.010:012.0 V,% 】铸态，中锰白口铁2时效处理，中锰白口快3钱态，高铬白口铁4时效处理 图4复合试样冲击韧性调量结果 Fig.4 Results of impact tests (2)白口铁的种类对冲击韧性值的影响白口铁种类不同，其x值也不相同。从图4可 以看出，高铬白口铁和中锰白口铁镶铸后的复合试样的¤x值在V,较大时，两者相差较小。 这是由于在V,较小的试样中，其良好韧性没有发挥出来，因此基体组元一白口铁的性能， 对复合白口铁的冲击韧性影响较大；而当V,较大时，钢筋发挥其优良的韧性。并且当裂纹扩 展到两种材料的界面时，界面发生开裂还要消耗一部分能量。此时起主要作用的除钢筋体积 分数外就是钢筋性能和界面的性能，而白口铁的性能影响是次要的。 (3)时效处理对冲击值的影响在镶铸时，钢筋相当于内冷铁，有激冷作用，使白口铁 凝固时产生铸造应力。进行时效处理，会消除这种应力，对复合试样的冲击韧性·x值会有影 响，如图4所示。经过时效处理的试样，其冲击韧性·x值提高。但对于奥氏体高铬铸铁镶 铸的复合试样，在V:较小时，经过时效处理后，·x值反而下降；在V,较大时，经过时效处 理后，冲击韧性才有所提高。在中锰白口铁镶铸钢筋复合试样中，没有出现这样的情况。这 是因为中锰白口铁是珠光体基体，在时效处理后，韧性不会下降，因此复合试样消除铸造应 力后，冲击韧性有所提高。而奥氏体高铬白口铁在时效处理后，在奥氏体中会有少量的碳化 物析出使奥氏体高铬白口铁韧性下降「3。因此在较小的V,时，由于白口铁的性能对复合试 样的·x值影响较大，则使韧性降低。反之'，较大时，白口铁的韧性对复合试样的x值影响 处于次要地位，而时效处理消除铸造应力使复合试样的·x提高是主要的，因此就使韧性提 高，如图4所示。 127

，干 。日。召 工厂 ， 铸态 ， 中锰 白口 铁 时效处理 ， 中锰白口 铁 铸态 ， 高铬白 口铁 时效处理 图 。 复合试样冲击韧性 侧量结果 白口 铁的种类对冲击韧性值的影响 白口 铁种类不 同 ， 其。 值也不相同 。 从 图 可 以看 出 ， 高铬 白 口 铁和中锰 白口 铁镶铸后的复合试样的叭 值在 犷 较大时 ， 两 者相差较小 。 这是由于在 较小的试样中 ， 其 良好韧性没有发挥 出来 ， 因此基体组元－白口 铁的 性能 ， 对复合 白口 铁的 冲击韧性影响较大 而 当 较大时 ， 钢筋发挥其优 良的韧性 。 并且当裂纹扩 展到两 种材料的 界面时 ， 界面发生开裂还要消耗一部分能量 。 此时 起主要 作用的除钢 筋体积 分数外就是钢筋性能和 界面的性能 ， 而 白 口 铁的性能影响 是次要的 。 时效处理对 冲击值的影响 在镶铸时 ， 钢筋相当于 内冷铁 ， 有激冷 作用 ， 使 白口 铁 凝固时产生铸造应 力 。 进行时效处理 ， 会消除这种应力 ， 对复合试样 的冲击韧性 。 值会有影 响 ， 如图 所示 。 经过时效处理的试样 ， 其冲击韧性 。 、 值提高 。 但对于奥 氏体高铬铸 铁 镶 铸的复合试样 ， 在犷 较小时 ， 经过时效处理后 ， 值反而下降 在 较大时 ， 经过时效处 理 后 ， 冲击韧性才有所提高 。 在中锰 白口铁镶铸钢筋复合试样中 ， 没 有出现这样的情况 。 这 是 因为中锰 白口 铁是珠光体基体 ， 在时效处理后 ， 韧性不会下降 ， 因此复合试样 消除铸造应 力后 ， 冲击韧性有所提高 。 而奥 氏体高铬 白口铁在时效处理后 ， 在奥 氏体 中会有少量的 碳化 物析 出使奥 氏体高铬 白口 铁韧性下降 〔 ’ 。 因此在较小的 厂 时 ， 由于 白口 铁的性能对复合试 样的气值影 响较大 ， 则使韧性降低 。 反之犷 较大时 ， 白口 铁的韧性对复合试样的 气 值影 响 处于 次要地位 ， 而时效处理 消除铸造应 力使复合试样的 提高是 主要的 ， 因此 就使 韧 性 提 高 ， 如 图 所示