随着重型机械工业特别是核电工业的发展,厚壁、大型球铁件得到越来越广泛的应用。由于断面过厚,凝固时间长,由此导致球化衰退与孕育衰退而发生石墨的畸变,形成各种非球状石墨,造成球铁性能的下降。本文利用外加冷铁强制冷却的扇形试块模拟百吨级厚大断面球铁容器的凝固过程,采用光学显微镜,扫描电镜对厚大断面球铁的微观组织进行了分析,并研究了凝固时间对拉伸性能的影响规律及其断裂机制,分析了常温和低温(-40℃)条件下的冲击韧性以及低温(-40℃)条件下的断裂韧性。从扇形试块的凝固曲线可以发现,由于采用了内外强制冷却,缩短了共晶转变时间,扇形试块中心的凝固时间为190分钟;内外冷铁中都存在着比较明显的温度梯度,增强了铸型的激冷能力,使铸件内部温度梯度增大,糊状区域变窄,缩短了扇形试块的凝固时间,石墨球趋于圆整,保证了球化级别。凝固速度对石墨球数量的影响明显,随着凝固时间延长,石墨球数量逐渐减少,尺寸随之增大,而石墨球所占面积基本保持不变;扇形试块边缘石墨球的形状因子(SF)峰值出现在0.8~0.9处,而心部SF峰值出现在0.6~0.7处,说明随着冷却速度降低,石墨圆整度也随之下降;同时,基体组织几乎全部为铁素体组织,但在最后凝固的心部反而出现一定数量的珠光体组织。扇形试块不同位置的拉伸实验表明,凝固时间对厚大断面球铁抗拉强度的影响较小。断裂机理为铁素体基体发生长位移的塑性变形,石墨和铁素体基体形成的空穴不断扩大,导致脱离。常温冲击断裂的机理为压缩侧的试样边缘为韧-脆性混合型断裂,压缩侧和断口中间区域以韧性断裂为主;低温冲击断裂机理为以脆性断裂为主,辅以局部性的韧性断裂。低温(40℃)三点弯曲断裂韧性试验表明,在-40℃的环境温度下,球化良好并且以铁素体基体的球铁铸件,在缓慢加载外力的情况下,以韧性断裂为主;在环境温度低于-40℃,以铁素体为主要基体,还有少量珠光体的球铁,当缓慢加载外力的情况下,其石墨球周围将发生韧性断裂,而在石墨球相对不集中的区域会产生脆性断裂,并且为穿晶断裂。