1、材料的結(jié)構(gòu)組織與性能（五） 材料學(xué)院 鑄 鐵鑄鐵鋼的基體石墨與鋼相比成分中含有較多的Si、P、S等鑄鐵的特點 鑄鐵（cast iron）是含碳量大于2.11的鐵碳合金。在工業(yè)生產(chǎn)中，因冶煉、原材料等因素，鑄鐵成分中一般還含有硅、錳、磷、硫等元素，所以實際應(yīng)用的鑄鐵是以鐵、碳、硅為主的多元鐵基合金。鑄鐵與鋼在化學(xué)成分上的主要區(qū)別是前者的碳、硅以及雜質(zhì)元素磷、硫含量較高。鑄鐵的生產(chǎn)成本較低、并且有如下許多優(yōu)良的性能: 優(yōu)良的減振性， 較高的耐磨性、 極好的鑄造工藝性和切削加工性。所以，鑄鐵是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的工程材料。按質(zhì)量比統(tǒng)計，汽車、拖拉機中，鑄鐵用量占5070，在機床中占6090，近幾十年

2、來，由于鑄鐵成分、石墨形態(tài)、鑄造工藝的變化與發(fā)展，鑄鐵性能有了很大的提高。尤其是球墨鑄鐵已代替部分鑄鋼或合金鋼，用來制造曲軸、連桿、凸輪軸、閥門等重要零件，廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機、汽車拖拉機、機床等工業(yè)領(lǐng)域，是一種質(zhì)優(yōu)、價廉、易得的優(yōu)良鑄造材料。鑄鐵的性能化學(xué)成分碳的存在形式基體類型石墨的形態(tài)、數(shù)量、大小及空間分布石墨滲碳體 滲碳體具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，而石墨的強度、硬度、塑性都很低，在鑄鐵中可視為空洞，與滲碳體的性能相去甚遠。因此，碳在鑄鐵中是以化合態(tài)的Fe3C形式存在還是以游離態(tài)的G形式存在以及二者的相對比例大小，對鑄鐵的性能都會產(chǎn)生重大影響。鑄鐵的石墨化 鑄鐵的石墨化（graphitizatio

3、n ）是指鑄鐵中石墨的形成過程。 通常將鑄鐵由高溫液態(tài)凝固冷卻到室溫過程中石墨的結(jié)晶析出分為三個階段：第一階段石墨化： 過共晶成分的鐵水從液相中結(jié)晶出一次石墨；共晶和亞共晶成分的鐵水在1154共晶反應(yīng)時形成共晶石墨，叫第一階段石墨化。第二階段石墨化： 在1154738的溫度范圍內(nèi)，奧氏體中由于碳的溶解度的降低，而沿固溶線析出二次石墨的過程叫第二階段石墨化。第三階段石墨化： 奧氏體在738發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成共析石墨的過程叫第三階段石墨化。影響石墨化的主要因素工藝條件：在工藝條件中以冷卻速度的影響最為強烈。 冷速越慢越易獲得石墨?；瘜W(xué)成分：促進石墨化的元素有C、Si、Al、Cu、Ni、Co等，阻止石

4、墨化的元素有Cr、W、Mo、V、Mn、S等C+Si（%）7.06.06.55.54.04.55.00 10 20 30 40 50 60 70壁 厚 （mm）154321PFe3C； 2 PFe3CG；3PG；4P+F+G；5F+G碳、硅含量和冷卻速度對鑄鐵組織的影響灰鑄鐵 灰鑄鐵（gray cast-iron）是一種斷面呈深灰色，石墨形狀為片狀，應(yīng)用最為廣泛的鑄鐵（見圖）?；诣T鐵的片狀石墨對基體有很大的割裂作用，石墨尖端易形成應(yīng)力集中，在所有鑄鐵中，是石墨形狀最差的一種?；诣T鐵的特性： 1.優(yōu)良的鑄造性能 灰鑄鐵的熔點較低，容易熔煉，流動性好，可澆鑄成形狀復(fù)雜的鑄件。石墨的比體積較大，石墨的

5、析出可部分抵消鑄件凝固及冷卻過程中的收縮，所以灰鑄鐵的收縮率較小，設(shè)置的澆冒口也可以較小。 2.優(yōu)良的耐磨性、消振性和切削加工性 灰鑄鐵中的片狀石墨很容易在摩擦力的作用下剝落下來。而石墨本身是一種性能良好的固態(tài)潤滑劑，同時石墨剝落后的孔隙能吸附和存儲潤滑油，使摩擦界面保持良好的潤滑狀態(tài)；由于石墨的潤滑作用及斷屑作用、故灰鑄鐵具有良好的切削加工性能；石墨能吸收機械振動能，阻止振動的傳播，其消振性比鋼好得多。 3.力學(xué)性能特點 片狀石墨的存在破壞了基體的連續(xù)性，可以看成鋼的基體上的裂紋或孔洞。石墨片的端部相當于裂紋的尖端，在拉應(yīng)力的作用下容易形成應(yīng)力集中，致使其抗拉強度和塑性都很低。所以灰鑄鐵不能

6、用來制造在拉應(yīng)力狀態(tài)下服役的零件。在壓應(yīng)力作用下，石墨不會形成大的應(yīng)力集中，灰鑄鐵的抗壓強度并不比鋼低。所以特別適合制作在壓應(yīng)力狀態(tài)下服役的零件，如機床的床身、底座、立柱、箱體等。應(yīng)當指出，灰鑄鐵的沖擊韌度很低，是一種典型的脆性材料，所以不適合制造在沖擊載荷作用下服役的零件。 4.物理化學(xué)性能 與鋼相比，灰鑄鐵有較好的耐蝕性及抗氧化性。這與灰鑄鐵成分中含有較高的硅有關(guān)，球狀石墨鑄鐵 球狀石墨鑄鐵(spheroidal graphite iron)是指石墨形狀為球形的鑄鐵（見圖）。球狀石墨對基體的割裂和應(yīng)力集中作用都降到了最小程度，從而使基體組織的強度、塑性和韌性的潛力得以發(fā)揮。通過熱處理可獲得

7、各種基體組織，使球墨鑄鐵在力學(xué)性能方面有較大的調(diào)整幅度。正火狀態(tài)時，基體為珠光體加鐵素體，其強度大大超過灰鑄鐵，接近含碳量為0.45%的碳素結(jié)構(gòu)鋼正火狀態(tài)的強度指標，同時保持了相當好的塑性和韌性。等溫淬火后，基體組織為貝氏體，雖塑性、韌性有所降低，但強度可比正火狀態(tài)提高約70。球墨鑄鐵不僅強度接近鋼的水平，而且屈強比比鋼高得多。與此同時，球墨鑄鐵保持了灰鑄鐵的某些優(yōu)良特性，如良好的流動性，易于鑄造成形，生產(chǎn)方法和設(shè)備簡單，成本較低，切削加工性能優(yōu)良等，所以球墨鑄鐵是一種以鐵代鋼、以鑄代鍛的材料。目前，球墨鑄鐵大量用來制造曲軸、凸輪軸、連桿、齒輪、蝸輪、軋輥等。牛眼狀球墨鑄鐵中錳耐磨球墨鑄鐵（奧

8、氏體條塊狀碳化物球狀石墨）鐵素體珠光體延性鑄鐵（球墨鑄鐵珠光體球墨鑄鐵鐵素體球墨鑄鐵球墨鑄鐵的特點: 1、化學(xué)成分的特點之一是碳硅含量高，這樣可使其成分接近共晶點，從而提高鐵水的流動性。鎂是主要的球化元素，同時也是強烈的反石墨化元素；較高的硅含量可有效抑制鎂引起的白口傾向； 球墨鑄鐵化學(xué)成分的第二個特點是低磷、低硫； 2、石墨的球化使得改善基體組織有了意義，因此球墨鑄鐵往往要進行熱處理。球墨鑄鐵常用的熱處理有退火、正火、調(diào)質(zhì)、等溫淬火等； 3、具有較高的強韌性，是當前“以鑄代煅”的重要材料；圖9.5 各類球墨鑄鐵鑄件可鍛鑄鐵 將白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火處理，使其滲碳體分解為團絮狀石墨所得到的鑄鐵叫

9、可鍛鑄鐵（ductile cast iron）,可鍛鑄鐵的石墨形態(tài)見圖。 由于石墨呈團絮狀，與灰鑄鐵的片狀石墨相比，大大減小了對基體的割裂作用。其強度、塑性、韌性都高于灰鑄鐵。雖然球狀石墨鑄鐵的性能優(yōu)良，在許多應(yīng)用領(lǐng)域取代了可鍛鑄鐵，但可鍛鑄鐵的鐵水處理簡單、質(zhì)量穩(wěn)定，尤其是白口鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性能，特別適合鑄造薄壁件，所以可鍛鑄鐵被大量用以生產(chǎn)形狀復(fù)雜的管件，如管接頭、彎頭、水龍頭等。石墨化退火工藝改進后，生產(chǎn)周期大大縮短，生產(chǎn)成本隨之降低，所以可鍛鑄鐵是一種重要的鑄鐵品種。鐵 素 體 可 鍛 鑄 鐵 石 墨 形 態(tài)團絮狀G圖9.7 可鍛鑄鐵鑄件蠕 墨 鑄 鐵 石墨呈蠕蟲狀的鑄鐵叫蠕墨鑄鐵

10、（vermicular cast iron）。蠕蟲狀石墨的形態(tài)介于球狀與片狀之間，在光學(xué)顯微鏡下呈短桿狀（見圖），與灰鑄鐵的片狀石墨相近，但長、厚方向尺寸比較小，端部較鈍、較圓,局部又接近球狀。蠕墨鑄鐵是近三十年發(fā)展起來的一種新型鑄鐵，在高溫鐵水中加入蠕化劑即可制得蠕墨鑄鐵。常用的蠕化劑有鎂鈦合金、稀土鎂鈦合金等。 蠕墨鑄鐵的性能特點是：強度及塑性高于灰鑄鐵但低于球墨鑄鐵，有較高的耐磨性和一定的韌性，鑄造性能與灰鑄鐵一樣良好。 在生產(chǎn)中，只要將球化劑的加入量減少就能得到蠕墨鑄鐵，但其控制比完全球化還難，為此還要加入球化阻礙元素，如Ti等。 蠕墨鑄鐵可用于制造曲軸箱、齒輪箱、鏈輪、偏心齒輪、鋼錠

11、模、汽缸頭、飛輪等，由于蠕墨鑄鐵具有較高的熱導(dǎo)率，所以可以制造承受熱疲勞的零件。 蠕蟲狀石墨蠕蟲狀石墨三維圖象圖9.10 蠕墨鑄鐵件石墨形態(tài)與性能的關(guān)系塑性、強度、韌性鋼中的非金屬夾雜物在鋼中的金相顯微鏡組織除了固溶體相和金屬化合物外，還有如下圖所示的形態(tài) 非金屬夾雜物通常指不具有金屬性質(zhì)的氧化物、硫化物和一些高熔點氮化物以及硒化物、碲化物、磷化物 鋼中的非金屬夾雜物的來源： (1)脫氧、脫硫產(chǎn)物。特別是一些比重大的產(chǎn)物沒有及時排除 (2)隨著鋼液溫度降低，硫、氧、氮等雜質(zhì)元素的溶解度相應(yīng)下降，于是這些不溶解的雜質(zhì)元素就以非金屬化合物在鋼中沉淀 (3)帶入鋼液中的爐渣，熔渣或耐火材料 (4)鋼

12、液被大氣氧化所形成的氧化物 通常將前兩類夾雜物稱為內(nèi)生夾雜物，后兩類夾雜物稱為外來夾雜物非金屬夾雜物對鋼性能的影響非金屬夾雜物對鋼拉伸性能的影響非金屬夾雜物對鋼韌性的影響 非金屬夾雜物對鋼的韌性有明顯的影響，其原因為： 1、使鋼的塑性明顯下降； 2、夾雜物與鋼的基體易于分離，形成微裂紋，使鋼發(fā)生早期斷裂硫化錳夾雜與基體脫離并斷裂的例子 對韌性斷裂過程的觀察結(jié)果表明，韌性斷裂是裂紋產(chǎn)生、擴展和連接的過程，由此可推測在韌性斷裂過程中，裂紋彼此連接的路徑是參與斷裂的每一個夾雜物均產(chǎn)生一個微裂紋，相鄰裂紋的連接是靠裂紋之間金屬基體滑移和縮頸來完成的。利用掃描電鏡對斷口進行觀察表明：金屬的韌性斷口是由大量韌窩組成，夾雜物與韌窩幾乎是一一對應(yīng)的，說明一個夾雜物就是一個韌窩的形核位置。韌窩形成過程韌 窩60Si2Mn彈簧鋼疲勞裂紋源于非金屬夾雜物區(qū)域提純 電子工業(yè)中用的半導(dǎo)體材料鍺的純度須達到999999999以上，若用一般的化學(xué)方法，不可能達到如此高的純度。但是根據(jù)相圖的知識知道: 金屬中混入了雜質(zhì)，其熔點一般比純金屬為低。而且當該金屬熔融后再固化時，先結(jié)晶出的是高熔點的純金屬。根據(jù)這一原理，將欲提純的一段金屬材科放置在管式爐中，在管外裝置一個可以左右移動的加熱環(huán)，將要提純的金屬材料先在管式爐的左端