Bjerre, Mathias Karsten

Gråt støbejern er en gruppe af legeringer, som har unikke mekaniske egenskaber og er ukomplicerede at støbe. Derfor er de interessante i mange industrielle sammenhænge. Støbejernslegeringernes egenskaber er især forbundet til deres kompositstruktur, hvor grafitudfældninger er indlejret i en metallisk matriks. Grafitten dannes under størkning, men væksten fortsætter under fastfaseafkølingen samt den eutektoide faseomdannelse af matriksen. Mange års forskning betyder, at mange af de basale mekanismer for vækst er relativt velbeskrevne, og at grafittens form i industriel produktion af støbejernsemner i høj grad kan kontrolleres. Kontrollen over grafittens morfologi har stor betydning, da grafitpartiklernes form er afgørende for det støbte emnes mekaniske egenskaber. Hvis det fulde potentiale for støbejernslegeringer skal realiseres og resultere i legeringer, der kan honorere ekstreme krav til ydeevne og letvægtsdesign, er yderligere forskning i de styrende mekanismer for vækst samt partiklernes form dog nødvendig. Denne afhandling sigter mod at bidrage væsentligt til disse underbelyste felter.I duktilt støbejern udfældes grafit i kugleform, såkaldte noduler. Her er det muligt at opnå mekaniske egenskaber, der er sammenlignelige med egenskaberne for stål. For at forudsige de mekaniske egenskaber for et emne produceret i duktilt støbejern, er det nødvendigt at kunne estimere både tætheden af noduler samt fordelingen deres af form og størrelse. Derfor er det afgørende at have modeller, der præcist kan forudsige kimdannelse og vækst af disse noduler.Denne afhandling beskæftiger sig med størkning af støbejern med særlig fokus på dannelse af grafitnoduler. Til det formål er der blevet udført et forsøg på synkrotronen Dia-mond Light Source i Harwell i England. Dette forsøg gør brug af en såkaldt atmosfærecelle, hvori en lille cylindrisk prøve af duktilt støbejern smeltes. Under størkning gennemlyses prøven af røntgenstråling, og der optages projektioner af denne gennemlysning. Disse projektioner muliggør, at det i denne afhandling for første gang kan vises, hvordan grafit dannes og vokser over tid i tre dimensioner.En sammenligning mellem forudsigelser fra en en-dimensionel model og de ekspe-rimentelle observationer resulterer i den overraskende konklusion, at den simple en-dimensionelle model i høj grad kan beskrive observationerne. Undersøgelsen viser også, at den hastighed grafitpartiklerne vokser med, aftager mod størkningens afslutning. Dette er ikke reflekteret i den anvendte model, selvom der i nærværende arbejde er udviklet en udvidelse af modellen, som beskriver væksten af grafit under fastfaseafkøling. Analysen af de eksperimentelle data viser, at observationerne er af hidtil uset kvalitet, og kan danne baggrund for verificering af fremtidige modeller.Simuleringer af størkning af emner i duktilt støbejern i nærværende afhandling viser, at præcise modeller for kimdannelse af grafitnoduler dels er vigtige for at kunne forudsige tætheden af noduler efter størkning, dels for at kunne forudsige kølekurver korrekt. Fra den tomografiske data kan det observeres, at dannelse af de første noduler sker ved meget store underafkølinger, og at kimdannelse accelererer hurtigt, idet den eutektiske størkning tager fart. Undersøgelsen viser for det første, at to forskellige modeller i rimelig grad kan beskrive de eksperimentelle observationer, og understreger for det andet vigtigheden af at tage højde for volumenfraktionen af størknet materiale i sådanne modeller.Da de observerede grafitnoduler ikke bevæger sig i løbet af størkningen, må de være fastgjorte og sandsynligvis også omsluttet af austenit, mens de vokser. Samtidig ændrer mange partikler form og bliver mindre kugleformede under væksten. Desuden er det observeret, at de partikler, der har de mest irregulære former efter størkning, også er dem der vokser hurtigst under størkning. En detaljeret analyse indikerer, at selve den hurtige vækst at tæt forbundet til udviklingen af irregulære former. Disse observationer er overraskende og meget interessante, idet det ofte antages at grafitpartikler kun udvikler irregulære former, når de er i kontakt med den flydende smelte. Fremtidige analyser og teoretiske beskrivelser af dannelsen af irregulære grafitpartikler bør derfor tage højde for resultaterne i denne afhandling.Grey cast irons are a group of alloys with a unique combination of properties in terms of mechanical performance and castability. These properties are strongly related to their composite structure where graphite precipitates are embedded in a metallic matrix. The graphite precipitates form during solidification and growth continues throughout solid state cooling and the eutectoid transformation. Years of research have greatly improved the understanding of the basic mechanisms that control graphite growth as well as the ability to control graphite morphology during industrial production of cast components. This is important since the shapes of the graphite precipitates play a determining role for the properties of grey cast irons. However, to reach the full potential of cast irons and enable high-performance light-weight designs, more in-depth knowledge of the mechanisms controlling graphite growth and morphological developments is required. It is the aim of the present thesis to contribute with new insights within these fields.In ductile cast irons graphite precipitate as spheroids which result in a material in which the mechanical properties are similar to those of steel. To predict the mechanical properties of ductile cast iron it is important to estimate the density of nodules as well as the distribution of nodule shapes and sizes at room temperature. This emphasises the importance of models which can correctly describe the nucleation and growth of spheroidal graphite during solidification.In this thesis, the solidification of cast iron is studied with focus on formation and growth of spheroidal graphite. To this end, an experiment is conducted at the Diamond Light Source synchrotron facility in Harwell, UK: Employing an environmental cell devel-oped at the Manchester X-ray Imaging Facility at the University of Manchester, a small cylindrical sample of ductile cast iron is melted. During re-solidification, the sample is continuously imaged. As a result, the first time resolved imaging of graphite formation in three dimensions is presented in the present thesis.A comparison of a one dimensional model for spheroidal graphite growth to experi-mental observations showed that the model can describe the observations relatively well despite its simplicity. The investigation also showed that a gradually decreasing growth rate towards the end of solidification is not reflected in the model in spite of an extension to solid state growth presented in the present thesis. From the analysis it is clear that the presented data is of an unprecedented quality and that it represents a solid basis for validation of future models.Solidification simulations of a ductile cast iron component highlights the importance of the nucleation model for the correct prediction of the final nodule density as well as the cooling curve. The tomographic data showed that nucleation within the studied sample is initiated at very high undercoolings and that it accelerates rapidly as eutectic solidification takes off. Experimental data can be reasonably described by two different models both emphasising the importance of taking into account the fraction solid in nucleation models.Since very limited graphite particle movement is observed during the course of solidi-fication, the particles must be anchored in austenite and most likely also encapsulated while they grow. Simultaneously, spherical graphite particles undergo significant morpho-logical changes and in many cases develop irregular features. Furthermore, the particles which are the most irregular after solidification grow significantly faster than their regular counterparts and it seems that fast growth is associated to the development of irregular features. These observations are slightly surprising and highly interesting as it is usually assumed that irregular graphite shapes develop when the graphite is in contact with the liquid melt. These results have important implications for how degeneracy of spheroidal graphite should be understood and theoretically described in the future

In situ observations of graphite formation during solidification of cast iron

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology