本文探讨了不规整石墨对 QT400-18L 球墨铸铁抗冲击能力的作用。不规整石墨导致裂纹延伸路线变得平缓，裂纹倾向于靠近不规整石墨和形态异常石墨处发展。不规整石墨削弱了材料的冲击韧性。随着不规整石墨含量从 1.0% 提升至 99%，常温下冲击值从 17.72J 降至 4.63J。碎块状石墨会减小断口表面的不光滑程度，与含有球状石墨的断口相比，含有碎块状石墨的断口，其表面粗糙度数值会变小。

关键词：厚大断面；碎块状石墨；冲击韧性；球墨铸铁

球墨铸铁具有突出的综合机械特性，且生产成本不高，因此被广泛用于打造需要高抗拉力、高韧性以及高耐磨损性的部件。该材料的力学特征与其凝固行为及微观构造紧密相连。长句拆分成多个小分句，用逗号隔开，保持原文风格，去掉最前面的序号，改写结果如下：奥妙武智等学者指出球墨铸铁用废钢的作用，球墨铸铁的内在品质，很大程度取决于其中球状石墨的特性，一般希望得到外形规整、散布均匀、直径不大、数量丰富的石墨球体。大断面铸件中心区域冷却速度较慢，导致其内部容易形成块状石墨，这种组织缺陷显著削弱了铸件的机械强度，也限制了该类型铸件的应用推广，因此深入探究块状石墨对球墨铸铁性能的作用具有关键意义。当前针对球墨铸铁冲击特性探究的试件里，其内部结构均为球状石墨，然而在厚断面球墨铸铁制造过程中，块状石墨难以避免，因此分析这种石墨形态对冲击韧性的作用很有必要。

本研究在优化合金成分与熔炼流程的基础上，成功铸造出多种规格的 QT400-18L 大型厚壁试块，从试块中心部位提取样品，实施低温冲击测试并开展显微组织分析，旨在探究不同含量的片状石墨对球墨铸铁抗冲击能力的作用规律。

1  试验方法

1.1  材料准备

用低硅生铁和废钢开始熔化，借助硅铁来控制硅的成分，这些原料被放进中频感应炉里，加热到1500℃，接着在1400℃时从炉中取出，倒入已经加热好的浇包，通过倒包的方法实施球化孕育操作，在包底投入1.5wt.%重稀土FeSiCaMgRE充当球化材料，同时加入0.45wt.% FeSi合金作为孕育材料。完成扒渣工作后，将材料注入预先备好的砂模里面，QT400-18L 的构成明细，请参见表 1。

1.2  测试方法

在所有样品的核心区域获取 V 形缺口试样，于不同环境温度下实施 Charpy 冲击测试，测试过程遵循［GB/T229-2007］标准，运用摆锤式冲击测试设备（Instron9250HV）检测吸收功数值。金属组织样品需先完成打磨工序，再使用4%硝酸酒精混合液实施化学侵蚀处理。破碎后的样品，需要先让断裂面变得干燥，再加以收存，然后借助扫描电子显微镜S-3400N来审视断裂表面的样子。此外，还要用激光共聚焦显微镜OLS40-CB把断裂面拼接成完整的图像，同时测定其凹凸不平的程度。

2  试验结果与分析

2.1  不同冲击温度下碎块状石墨对裂纹扩展路径的影响

图 1 展示了在各个温度条件下，试样冲击断口的宏观形态组合图像。观察该图可知，冲击样本的破裂轨迹随着环境温度的下降呈现出显著差异，当测试温度为 0℃时，断裂路径的弯曲状况较为突出球墨铸铁用废钢的作用，当冲击温度进一步降至-40℃时，裂纹的波动现象开始减弱，而当温度继续降低至-80℃时，裂纹的延伸路线变得较为平直。

图 1 试样在不同温度下冲击断口宏观形貌图

为深入探究裂纹蔓延轨迹的成因，借助激光共聚焦显微镜对断裂区域进行显微观察。图 2 展示了各温度条件下冲击断口的微观形态。图中可见明显变形的铁素体组织和石墨球，当试样中包含块状石墨时，裂纹倾向于在块状石墨处起始，并沿该区域延伸。

图 2 断裂裂纹在不同温度下扩展的局部特征图

2.2  碎块状石墨冲击断口形貌的影响

图 3 展示了在 20℃ 条件下，试样承受不同冲击能量时的断口形貌表现，具体分为四类情况，相应冲击能量分别是 13.2J、11.7J、9.5J 以及 6.7J。图中表明，若石墨形态主要是球状，试样的冲击功达到13.2J；随着块状石墨比例上升，冲击功开始下降；当组织几乎完全由块状石墨构成时，试样的冲击功仅剩6.7J。这证实了，试样的冲击功会随着块状石墨含量的增加而降低，并且这种降低现象非常显著；同时，块状石墨对球墨铸铁的组织形态具有非常大的作用力。碎块状石墨占比提升后，冲击功急剧减小，这表明断裂时遭遇的阻碍力因碎块状石墨比例的提高而减弱，进而导致裂纹的蔓延速度加快。

图 3 展示了 20度环境下，多种冲击功条件下球铁样品的断口外观形态差异

2.3  碎块状石墨断口粗糙度分析

根据先前对多种温度下冲击试件断口的分析，发现随着块状石墨比例的上升，铁素体球墨铸铁冲击断口的形态表现出明显差异，石墨球周边的韧性凹坑变得稀疏，而块状石墨缺陷和解理面的存在量则有所增加，这一现象需要进一步探究其与温度的关系。为了深入理解冲击断口外观随温度变化的规律，决定借助激光共聚焦扫描显微镜配合图像处理软件，对球墨铸铁的冲击断口进行立体建模。为了精确评估不同温度下冲击断口的三维几何特性，运用专门软件测定了断口表面在空间中的粗糙程度，通常采用的方法是计算断口表面平均高度的算术值 Sa。图 4 展示了部分典型碎块状石墨断口在三维空间中的形态特征。

实验期间受仪器操作环境的制约，样本断裂面的形态表现出显著差异，因此以固定倍率（1000倍）对断裂面进行观察，从中挑选了大约二十个典型区域，对这些区域的表面平均高度实施数据统计。经过甄选，依据块状石墨的占比差异，挑选出两个具有区分度的样本 A 和样本 B，并展开深入研究。图 5 展示了在各个温度层级上，试样 A 和试样 B 球墨铸铁冲击断口表面的粗糙度指数 Sa 的变化趋势，根据图示内容可知，试样 A 和试样 B 球墨铸铁的断面粗糙度指数 Sa 都伴随温度下降而降低，其断裂行为从韧性断裂逐渐转变为解理断裂类型。

图 5 显示了试样 A 和试样 B 球墨铸铁冲击断口表面粗糙度指数 Sa 随温度的波动情况，具体表现为一条曲线

表 2 展示了在室温条件下，九种含有不同比例碎块状石墨的试样，它们各自的冲击功数值以及发生的断裂模式。观察结果可知，当碎状石墨的占比持续上升时，试样的冲击功会呈现逐步降低的趋势，并且其断裂特征会从韧性破坏开始，随后演变出兼具韧性和脆性的混合型破坏，最终完全转变为脆性破坏。当几乎不含碎块状石墨时，冲击功为 17.72J, 当碎块状成分比例增加时，冲击功表现出显著变化, 当碎块状石墨成分比例很高时，冲击功会减小到 4.63J, 这表明碎块状石墨的存在会明显削弱冲击功, 从而促使材料发生脆性断裂。

3  结论

碎块状石墨能够降低裂纹扩展路线的波动幅度，裂纹倾向于沿着碎块状石墨以及畸形石墨的周边区域延伸。

碎块状石墨会削弱材料抗冲击的能力。当碎块状石墨的含量为 1.0％时，抗冲击能力表现为 17.72J；当碎块状石墨的含量提升到 40％时，抗冲击能力会减小至 11.50J；当碎块状石墨的含量达到 99％时，抗冲击能力会进一步下降到 4.63J。

碎块状石墨会造成断口表面变得不光滑。与球状石墨的断口相比，碎块状石墨的表面粗糙程度要低于球状石墨。