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材料的结构组织与性能（五）材料学院铸铁铸铁＝钢的基体＋石墨与钢相比成分中含有较多的Si、P、S等铸铁的特点铸铁（castiron）是含碳量大于2.11％的铁碳合金。在工业生产中，因冶炼、原材料等因素，铸铁成分中一般还含有硅、锰、磷、硫等元素，所以实际应用的铸铁是以铁、碳、硅为主的多元铁基合金。铸铁与钢在化学成分上的主要区别是前者的碳、硅以及杂质元素磷、硫含量较高。铸铁的生产成本较低、并且有如下许多优良的性能:•优良的减振性，•较高的耐磨性、•极好的铸造工艺性和切削加工性。所以，铸铁是工业生产中广泛应用的工程材料。按质量比统计，汽车、拖拉机中，铸铁用量占50％～70％，在机床中占60％～90％，近几十年来，由于铸铁成分、石墨形态、铸造工艺的变化与发展，铸铁性能有了很大的提高。尤其是球墨铸铁已代替部分铸钢或合金钢，用来制造曲轴、连杆、凸轮轴、阀门等重要零件，广泛应用于内燃机、汽车拖拉机、机床等工业领域，是一种质优、价廉、易得的优良铸造材料。铸铁的性能化学成分碳的存在形式基体类型石墨的形态、数量、大小及空间分布石墨渗碳体渗碳体具有复杂的晶体结构，而石墨的强度、硬度、塑性都很低，在铸铁中可视为空洞，与渗碳体的性能相去甚远。因此，碳在铸铁中是以化合态的Fe3C形式存在还是以游离态的G形式存在以及二者的相对比例大小，对铸铁的性能都会产生重大影响。铸铁的石墨化铸铁的石墨化（graphitization）是指铸铁中石墨的形成过程。通常将铸铁由高温液态凝固冷却到室温过程中石墨的结晶析出分为三个阶段：第一阶段石墨化：过共晶成分的铁水从液相中结晶出一次石墨；共晶和亚共晶成分的铁水在1154℃共晶反应时形成共晶石墨，叫第一阶段石墨化。第二阶段石墨化：在1154～738℃的温度范围内，奥氏体中由于碳的溶解度的降低，而沿固溶线析出二次石墨的过程叫第二阶段石墨化。第三阶段石墨化：奥氏体在738℃发生共析转变形成共析石墨的过程叫第三阶段石墨化。影响石墨化的主要因素1.工艺条件：在工艺条件中以冷却速度的影响最为强烈。冷速越慢越易获得石墨。2.化学成分：促进石墨化的元素有C、Si、Al、Cu、Ni、Co等，阻止石墨化的元素有Cr、W、Mo、V、Mn、S等C+Si（%）7.06.06.55.54.04.55.0010203040506070壁厚（mm）154321－P＋Fe3C；2－P＋Fe3C＋G；3－P＋G；4－P+F+G；5－F+G碳、硅含量和冷却速度对铸铁组织的影响灰铸铁灰铸铁（graycast-iron）是一种断面呈深灰色，石墨形状为片状，应用最为广泛的铸铁（见图）。灰铸铁的片状石墨对基体有很大的割裂作用，石墨尖端易形成应力集中，在所有铸铁中，是石墨形状最差的一种。灰铸铁的特性：1.优良的铸造性能灰铸铁的熔点较低，容易熔炼，流动性好，可浇铸成形状复杂的铸件。石墨的比体积较大，石墨的析出可部分抵消铸件凝固及冷却过程中的收缩，所以灰铸铁的收缩率较小，设置的浇冒口也可以较小。2.优良的耐磨性、消振性和切削加工性灰铸铁中的片状石墨很容易在摩擦力的作用下剥落下来。而石墨本身是一种性能良好的固态润滑剂，同时石墨剥落后的孔隙能吸附和存储润滑油，使摩擦界面保持良好的润滑状态；由于石墨的润滑作用及断屑作用、故灰铸铁具有良好的切削加工性能；石墨能吸收机械振动能，阻止振动的传播，其消振性比钢好得多。3.力学性能特点片状石墨的存在破坏了基体的连续性，可以看成钢的基体上的裂纹或孔洞。石墨片的端部相当于裂纹的尖端，在拉应力的作用下容易形成应力集中，致使其抗拉强度和塑性都很低。所以灰铸铁不能用来制造在拉应力状态下服役的零件。在压应力作用下，石墨不会形成大的应力集中，灰铸铁的抗压强度并不比钢低。所以特别适合制作在压应力状态下服役的零件，如机床的床身、底座、立柱、箱体等。应当指出，灰铸铁的冲击韧度很低，是一种典型的脆性材料，所以不适合制造在冲击载荷作用下服役的零件。4.物理化学性能与钢相比，灰铸铁有较好的耐蚀性及抗氧化性。这与灰铸铁成分中含有较高的硅有关，球状石墨铸铁球状石墨铸铁(spheroidalgraphiteiron)是指石墨形状为球形的铸铁（见图）。球状石墨对基体的割裂和应力集中作用都降到了最小程度，从而使基体组织的强度、塑性和韧性的潜力得以发挥。通过热处理可获得各种基体组织，使球墨铸铁在力学性能方面有较大的调整幅度。正火状态时，基体为珠光体加铁素体，其强度大大超过灰铸铁，接近含碳量为0.45%的碳素结构钢正火状态的强度指标，同时保持了相当好的塑性和韧性。等温淬火后，基体组织为贝氏体，虽塑性、韧性有所降低，但强度可比正火状态提高约70％。球墨铸铁不仅强度接近钢的水平，而且屈强比比钢高得多。与此同时，球墨铸铁保持了灰铸铁的某些优良特性，如良好的流动性，易于铸造成形，生产方法和设备简单，成本较低，切削加工性能优良等，所以球墨铸铁是一种以铁代钢、以铸代锻的材料。目前，球墨铸铁大量用来制造曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、蜗轮、轧辊等。牛眼状球墨铸铁中锰耐磨球墨铸铁（奥氏体＋条块状碳化物＋球状石墨）铁素体－珠光体延性铸铁（球墨铸铁〕珠光体球墨铸铁铁素体球墨铸铁球墨铸铁的特点:1、化学成分的特点之一是碳硅含量高，这样可使其成分接近共晶点，从而提高铁水的流动性。镁是主要的球化元素，同时也是强烈的反石墨化元素；较高的硅含量可有效抑制镁引起的白口倾向；球墨铸铁化学成分的第二个特点是低磷、低硫；2、石墨的球化使得改善基体组织有了意义，因此球墨铸铁往往要进行热处理。球墨铸铁常用的热处理有退火、正火、调质、等温淬火等；3、具有较高的强韧性，是当前“以铸代煅”的重要材料；图9.5各类球墨铸铁铸件可锻铸铁将白口铸铁经石墨化退火处理，使其渗碳体分解为团絮状石墨所得到的铸铁叫可锻铸铁（ductilecastiron）,可锻铸铁的石墨形态见图。由于石墨呈团絮状，与灰铸铁的片状石墨相比，大大减小了对基体的割裂作用。其强度、塑性、韧性都高于灰铸铁。虽然球状石墨铸铁的性能优良，在许多应用领域取代了可锻铸铁，但可锻铸铁的铁水处理简单、质量稳定，尤其是白口铸铁具有优良的铸造性能，特别适合铸造薄壁件，所以可锻铸铁被大量用以生产形状复杂的管件，如管接头、弯头、水龙头等。石墨化退火工艺改进后，生产周期大大缩短，生产成本随之降低，所以可锻铸铁是一种重要的铸铁品种。铁素体可锻鑄鐵石墨形態－团絮状G图9.7可锻铸铁铸件蠕墨铸铁石墨呈蠕虫状的铸铁叫蠕墨铸铁（vermicularcastiron）。蠕虫状石墨的形态介于球状与片状之间，在光学显微镜下呈短杆状（见图），与灰铸铁的片状石墨相近，但长、厚方向尺寸比较小，端部较钝、较圆,局部又接近球状。蠕墨铸铁是近三十年发展起来的一种新型铸铁，在高温铁水中加入蠕化剂即可制得蠕墨铸铁。常用的蠕化剂有镁钛合金、稀土镁钛合金等。蠕墨铸铁的性能特点是：强度及塑性高于灰铸铁但低于球墨铸铁，有较高的耐磨性和一定的韧性，铸造性能与灰铸铁一样良好。在生产中，只要将球化剂的加入量减少就能得到蠕墨铸铁，但其控制比完全球化还难，为此还要加入球化阻碍元素，如Ti等。蠕墨铸铁可用于制造曲轴箱、齿轮箱、链轮、偏心齿轮、钢锭模、汽缸头、飞轮等，由于蠕墨铸铁具有较高的热导率，所以可以制造承受热疲劳的零件。蠕虫状石墨蠕虫状石墨三维图象图9.10蠕墨铸铁件石墨形态与性能的关系塑性、强度、韧性钢中的非金属夹杂物在钢中的金相显微镜组织除了固溶体相和金属化合物外，还有如下图所示的形态非金属夹杂物通常指不具有金属性质的氧化物、硫化物和一些高熔点氮化物以及硒化物、碲化物、磷化物．钢中的非金属夹杂物的来源：(1)脱氧、脱硫产物。特别是一些比重大的产物没有及时排除．(2)随着钢液温度降低，硫、氧、氮等杂质元素的溶解度相应下降，于是这些不溶解的杂质元素就以非金属化合物在钢中沉淀．(3)带入钢液中的炉渣，熔渣或耐火材料．(4)钢液被大气氧化所形成的氧化物．通常将前两类夹杂物称为内生夹杂物，后两类夹杂物称为外来夹杂物．非金属夹杂物对钢性能的影响非金属夹杂物对钢拉伸性能的影响非金属夹杂物对钢韧性的影响非金属夹杂物对钢的韧性有明显的影响，其原因为：1、使钢的塑性明显下降；2、夹杂物与钢的基体易于分离，形成微裂纹，使钢发生早期断裂硫化锰夹杂与基体脱离并断裂的例子对韧性断裂过程的观察结果表明，韧性断裂是裂纹产生、扩展和连接的过程，由此可推测．在韧性断裂过程中，裂纹彼此连接的路径是参与断裂的每一个夹杂物均产生一个微裂纹，相邻裂纹的连接是靠裂纹之间金属基体滑移和缩颈来完成的。利用扫描电镜对断口进行观察表明：金属的韧性断口是由大量韧窝组成，夹杂物与韧窝几乎是一一对应的，说明一个夹杂物就是一个韧窝的形核位置。韧窝形成过程韧窝60Si2Mn弹簧钢疲劳裂纹源于非金属夹杂物区域提纯电子工业中用的半导体材料锗的纯度须达到99．9999999％以上，若用一般的化学方法，不可能达到如此高的纯度。但是根据相图的知识知道:金属中混入了杂质，其熔点一般比纯金属为低。而且当该金属熔融后再固化时，先结晶出的是高熔点的纯金属。根据这一原理，将欲提纯的一段金属材科放置在管式炉中，在管外装置一个可以左右移动的加热环，将要提纯的金属材料先在管式炉的左端加热，使其区域熔融。然后再加热环以极慢的速度从左端向右移动，这时金属材料的区域熔融区的左端成为固化区，而右端成为液相区。在左端固化区中先结晶的必定是熔点较高的金属。由于熔融区左端的纯度较右端为高。当加热环向右端移动时，便把材料中的杂质从左“扫”向右端．如果加热环一次又一次地从左向右移动，则材料中的杂质一次又一次地向右推移，最后金属材料的左端可得到纯度较高的材料。这种方法称为区域熔融法(或称区域熔炼法)。