Физико-технический институт НАН Беларуси, Минск, Беларусь:

А. И. Покровский, заведующий лабораторией высоких давлений и специальных сплавов, доцент, канд. техн. наук, эл. почта: art@phti.by

Изучены микроструктура, фрактограммы изломов, морфология графитных включений высокопрочного чугуна, доказано их пластическое течение, уточнен и описан механизм пластической деформации сферических включений графита при обработке давлением. По результатам фрактографических исследований выявлены два различных морфологических типа составляющих частей включения после горячей обработки давлением: центральное ядро и хвостовая часть, отличающиеся по прочности. Исследования на растровом электронном микроскопе поверхности деформированного чугуна после электровытравливания позволили оценить форму и морфологию графитных включений и доказать их монолитность. Предложен двухстадийный механизм пластической деформации графитных включений. На первом этапе (для степеней обжатия до 50 %) в процесс деформации вовлечены только наружные слои (чешуйки) графитного включения. Происходит послойное отшелушивание чешуек исключительно с поверхности сферолита. Внутреннее ядро сохраняет радиально-секторальную структуру. При степенях обжатия более 60 % вначале проходит описанный первый этап, сопровождающийся смещением чешуек в хвостовые отростки. На втором этапе деформации механизм кардинально изменяется: происходят скольжение призматических секторов (блоков) графита относительно друг друга, выклинивание центральных из них из тех секторов сохранившейся сферы, которые расположены вдоль приложения нагрузки. Одновременно поперечные сектора сдвигаются ближе друг к другу. Поскольку процесс горячей деформации проходит при высокой температуре (около 950 °C) и имеет достаточно короткую продолжительность (выдавливание прутка длится не более 1 с), то после завершения деформации межатомные связи восстанавливаются по наиболее коротким межатомным расстояниям, и включение сохраняет свою монолитность.

Работа выполнена в ФТИ НАН Беларуси (г. Минск) в рамках ГПНИ «Металлургия», задание № 2.01.

1. Pero-Sanz Elorz J. A., Fernández González D., Verdeja L. F. Physical metallurgy of cast irons. — Springer, 2018. — 343 p.
2. Artola G., Monzón A., Lacaze J., Sertucha J. Tensile properties and fracture toughness at service temperatures of an optimized pearlitic ductile iron alloy for automotive crankshafts // Materials Science and Engineering. A. 2022. Vol. 831. 142206.
3. Mussa A., Krakhmalev P., Bergstrom J. Wear mechanisms and wear resistance of austempered ductile iron in reciprocal sliding contact // Wear. 2022. Vol. 498–499. 204305.
4. Liu C., Du Y., Ying T., Zhang L. et al. Effects of graphite nodule count on mechanical properties and thermal conductivity of ductile iron // Materials Today Communications. 2022. Vol. 31. 103522.
5. Wigger T., Andriollo T., Xu C., Clark S. J. et al. In situ synchrotron investigation of degenerate graphite nodule evolution in ductile cast iron // Acta Materialia. 2021. Vol. 221. 117367.
6. Benedetti M., Fontanari V., Lusuardi D. Effect of graphite morphology on the fatigue and fracture resistance of ferritic ductile cast iron // Engineering Fracture Mechanics. 2019. Vol. 206. P. 427–441.
7. Zanardi F., Mapelli C., Barella S. Reclassification of spheroidal graphite ductile cast irons grades according to design needs // International Journal of Metalcasting. 2020. Vol. 14, Iss. 3. P. 622–655.
8. Tewary U., Paul D., Mehtani H. K., Bhagavath S. et al. The origin of graphite morphology in cast iron // Acta Materialia. 2022. Vol. 226. 117660.
9. Qing J., Lekakh S., Xu M., Field D. Formation of complex nuclei in graphite nodules of cast iron // Carbon. 2021. Vol. 171. P. 276–288.
10. Stefanescu D. M., Alonso G., Suarez R. Recent developments in understanding nucleation and crystallization of spheroidal graphite in iron-carbon-silicon alloys // Metals. 2020. Vol. 10, Iss. 2. 221.
11. Riposan I., Chisamera M., Stan S. The role of compounds in graphite formation in cast iron - A review // Materials Science Forum. 2018. Vol. 925, Iss. 3. P. 3–11.
12. Иванов В. Г., Пирожкова В. П., Лунев В. В. Исследование строения и формирования шаровидных включений графита в высокопрочном чугуне // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2016. Т. 3. № 5 (81). С. 31–36.
13. Найдек В. Л., Верховлюк А. М. Некоторые размышления о механизме образования шаровидного графита в чугуне // Процессы литья. 2014. № 1 (103). С. 47–54.
14. Найдек В. Л., Неижко И. Г., Гаврилюк В. П. Шаровидный графит в чугунах // Процессы литья. 2012. № 5 (95). С. 33–42.
15. Chaus A. S., Sojka J., Pokrovskii A. I. Effect of hot plastic deformation on microstructural changes in cast iron with globular graphite // The Physics of Metals and Metallography. 2013. Vol. 114. No. 1. P. 85–94.
16. Chaus А. S., Čaplovič L., Pokrovskii A. I., Sobota R. Microstructure and properties evaluation of ductile cast iron subjected to hot plastic deformation and ambient temperature compression // Archives of Metallurgy and Materials. 2023. Vol. 68, Iss. 2. P. 639–648.
17. Покровский А. И. Пластическое течение включений цементита и графита при обработке давлением чугуна // Литье и металлургия. 2013. № 1 (69). С. 88–95.
18. Покровский А. И. Особенности структурообразования графитных включений в высокопрочном чугуне при литье и горячей пластической деформации // Черные металлы. 2023. № 4. С. 8–15.
19. Костиков В. И., Варенков А. Н. Сверхвысокотемпературные композиционные материалы. — М. : Интермет Инжиниринг, 2003. — 560 с.
20. Мартенс X. E. Графит как высокотемпературный материал : пер. с англ. — М. : Мир, 1964. С. 139–174.