基体为铁素体的球墨铸铁可以通过铸态的方式直接制备,具有强度高、低温下冲击韧性好和塑性高等特点,广泛应用于长期工作在低温环境下的大型机械的主要结构部件中,这些部件的壁厚往往超过100mm,属于厚大断面铁素体球铁铸件,由于其壁厚过大,导致各部分的凝固冷却速度不同,在其心部容易出现碎块状石墨等异型石墨,最终导致力学性能的下降。因此,研究碎块状石墨对厚大断面球墨铸铁性能的影响,以及如何改善石墨形态,为进一步提高厚大断面球墨铸铁力学性能提供可能。通过熔体保温的实验手段来延长熔体的凝固时间,从而对厚大断面铁素体球墨铸铁中石墨析出过程进行研究。研究表明:当熔体的凝固时间不超过4h时,石墨呈球状石墨的方式析出。当熔体凝固时间超过41h时,石墨呈碎块状石墨的方式析出。继续延长熔体的凝固时间,蠕状石墨和片状石墨相继出现。采用能谱分析了铸态组织中石墨球周围微量元素的分布,结果表明Mg、、La等除了与S等形成高熔点化合物作为石墨生长的异质核心外,还分布在球状石墨与基体之间。根据Wulf原理分析,由于微量元素Bi吸附在各个晶面上,所以使晶体的各晶面生长速度趋于一致,这样石墨的形状才会更圆整。通过电子理论对Bi元素的作用机理进一步分析得出,加入Bi之后,结构形成因子S值变大,也就说明自发形核的能力变强。根据余氏理论,其FC’D增大,C原子在铁液中扩散阻力增大,使石墨球数量增多。通过对200mm壁厚的立方体厚大断面的铸件不同位置进行取样,对组织与力学性能进行研究,发现添加元素Bi之后,石墨球数提高,石墨球尺寸减少。由于厚大断面铸件中心部位碎块状石墨的存在,其拉伸强度、冲击韧性和伸长率分别比其外侧低24.1%、76.5%和76.9%。当Bi的含量不超过0.011wt.%时,石墨形态改善,力学性能提高。观察中心部位的冲击断口发现表面上的韧窝大小和分布不均匀,存在着石墨共晶团脱落的现象。对厚大断面铁素体球铁铸件不同部位进行取样,在不同环境温度下进行示波冲击试验并绘制示波冲击曲线观察发现:在韧脆转变温度以上,随着环境温度的下降,裂纹扩展功减小,而裂纹形成功几乎无变化;在韧脆转变温度以下,随着环境温度的下降,裂纹形成功与扩展功大幅度减小。通过激光共聚焦显微镜对不同环境温度下的厚大断面球铁铸件冲击断口横截面的形貌进行三维重建与定量分析结果发现,冲击断口横截面的粗糙度随着环境温度下降而减小,其变化规律与冲击功随温度的的变化规律一致。随着碎块状石墨比例的增加,冲击功逐渐减小,试样断裂类型由韧性断裂经过混合断裂逐过度到脆性断裂。冲击试样断口金相原位观察了不同温度下厚大断面球铁裂纹萌生与扩展路径以及断口附近组织的演变规律,利用激光共聚焦显微镜分析了不同冲击温度对裂纹扩展路径的影响,冲击试样断口形态随着温度的降低趋于平滑。随着温度的降低裂纹扩展越易沿着碎块状石墨扩展。通过ANSYS对石墨之间进行受力分析,并与原位观察图进行对比观察发现,异型石墨有助于冲击过程中微裂纹的形成和裂纹的扩展。利用扫描电镜分析了不同温度下冲击断口附近滑移带分布,随着温度的下降,冲击断口附近位错滑移带逐渐更浅并减少,位错的滑移阻力增加。通过透射电镜对不同环境温度下的冲击断口周围的组织进行观察发现,位错组态由分散变化到相互缠结。