（材料加工工程专业论文）灰铸铁组织模拟及其缩松缩孔的预测.pdf

i i l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：j 狼卜 日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝储躲鹕一导师签碰日期：幽一哆 1 1 1 灰铸铁应用1 1 1 2 灰铸铁性能。3 1 2 灰铸铁凝固过程4 1 2 1 灰铸铁的凝固过程和特点一4 1 2 2 共晶团5 1 2 3 石墨7 1 3 铸造c a e 软件的应用9 1 4 微观组织数值模拟的方法1 1 1 4 1 确定性方法1 1 1 4 2 随机性方法13 1 4 3 相场法15 1 5 研究内容及目的1 6 第二章凝固过程数值模拟的技术路线与理论模型1 7 2 1 技术路线17 2 2 温度场的建立1 8 2 2 1 传热的基本方程【6 4 粕】1 8 2 2 2 初始条件2 0 2 2 3 边界条件2 0 2 2 4 建立有限差分格式2 2 2 3 固相率计算2 3 2 3 1 初生相固相率计算。2 4 山东大学硕上学位论文 i i 2 3 2 共晶相固相率计算2 5 2 4 潜热处理2 5 2 5 收缩缺陷的预测方法2 6 2 5 1 缩孑l 预测2 7 2 5 2 缩松预测2 7 第三章形核生长模型的建立2 9 3 1 形核理论2 9 3 2 试验方案3 2 3 3 试验结果3 4 3 2 1 铸件成分3 4 3 2 2 金相照片3 4 3 2 3 冷却曲线3 9 3 4 试验数据分析4 0 3 3 1 冷却曲线分析4 0 3 3 2 共晶团数统计4 l 3 5 形核模型建立4 2 3 6 生长模型4 3 第四章潜热计算模型的建立4 5 4 1 实验方案4 6 4 2 实验结果及分析4 7 4 2 1 碳当量对结晶潜热的影响4 7 4 2 2 硅含量对结晶潜热的影响4 8 4 2 2 结晶潜热数据4 9 4 3 灰铸铁潜热计算模型的建立5 0 第五章灰铸铁凝固数值模拟程序开发5 1 5 1 软件开发环境及技术5 1 5 2t m c a s t - g r a yi r o n 程序结构5l 5 3 灰铸铁凝固过程模拟计算模块5 2 5 3 1 缩孔缩松预测总流程5 2 5 3 5 压力场计算流程5 8 5 4 热物性参数5 9 5 5t m c a s t g r a yi r o n 功能及其界面5 9 5 6 模拟结果6 0 5 6 1 温度场和固相率场6 0 5 6 2 固相率曲线、冷却曲线和热焓曲线6 2 5 6 3 实验验证6 5 5 6 4 缩松缩孑l 形态位置6 6 第六章结论6 9 参考文献7 1 致谢7 7 附录。7 9 i i i 山东大学硕十学位论文 i v 山东大学硕卜学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ec o n t e n t s i c o n t e n t s v c h i n e s ea b s t r a c t i x a b s t r a c t x i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 1 1a p p l i c a t i o no fg r a yi r o n 1 1 1 2p r o p e r t i e so f g r a yi r o n 3 1 2s o l i d i f i c a t i o no fg r a yi r o n 4 1 2 1s o l i d i f i c a t i o np r o p e r t y 4 1 2 2e u t e c t i cc e l l 5 1 2 3 g r a p h i t e 7 1 3a p p l i c a t i o no f c a es o f t w a r ef o rc a s t i n g 9 1 4n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d so fm i c r o s t r u c t u r e 1 1 1 4 1d e t e r m i n i s t i cm o d e l s 1 l 1 4 2s t o c h a s t i cm o d e l s 1 3 1 4 3p h a s ef i e l dm e t h o d s 11 ； 1 5r e s e a r c hc o n t e n ta n do b j e c t i v e 16 c h a p t e r2 f r a m w o r ko f n u m e r i c a ls o l i d i f i c a t i o ns i m u l a t i o na n dm o d e l s 1 7 2 1f r a m e w o r k 1 7 2 2t e m p e r a t u r ef i e l d 18 2 2 1c o m p u t a t i o n a lm o d e l i n go fh e a tt r a n s f e r 18 2 2 2i n i t i a lc o n d i t i o n s 2 0 2 2 3b o u n d a r yc o n d i t i o n s 2 0 2 2 4e s t a b l i s h m e n to f f i n i t ed i f f e r e n tf o r m u l a 2 2 2 3c a l c u a l a t i o no f s o l i d i f i c a t i o nf r a c t i o n 。2 3 2 3 1c a l c u a l a t i o no f p r i m a r yp h a s ef r a c t i o n 2 4 v 山东大学硕 学位论文 2 3 2c a l c u a l a t i o no fe u t e c t i cp h a s ef r a c t i o n 2 5 2 4l a t e n th e a tt r e a t m e n t 2 5 2 5m e t h o d so fp r e d i c t i o nf o rs h r i n k a g ed e f e c t s 2 6 2 5 1p r e d i c t i o nf o rs h r i n k a g ec a v i t y 2 6 2 ! ；2p r e d i c t i o nf o rp o r o c i t y 2 7 c h a p t e r3n u c l e a t i o nm o d e la n dg r o w t hm o d e l 2 9 ：；1n u c l e a t i o nt h e o r y 2 9 ：；2e x p e r i m e n ts c h e m e 3 2 ：；3r e s u l t s 3 4 3 2 1c o m p o n e n t so f c a s t i n g s 3 4 ：；2 2m e t a l l o g r a p h 3 4 ：；2 3c o o l i n gc u r v e s 3 9 3 4a n a l y s i s 4 0 3 3 1a n a l y s i s o f c o o l i n gc u r v e s 4 0 3 3 2a n a l y s i s o fm e t a l l o g r a p h 4 1 ：；5n u c l e a t i o nm o d e l 4 2 ：；6g r o w t hm o d e l 4 3 c h a p t e r4 l a t e n th e a tm o d e l 4 5 4 1e x p e r i m e n ts c h e m e 4 6 4 2r e s u l t sa n da n a l y s i s 4 7 4 2 1e f f e c to f c a r b o ne q u v i l e n to nl a t e n th e a t 。4 7 4 2 2e f f e c to fs i l i c o no nl a t e n th e a t 4 8 4 2 2d a t a 5 0 4 3e s t a b l i s h m e n to f l a t e n th e a tm o d e l 5 0 c h a p t e r 5d e v e l o p m e n to f s o l i d i f i c a t i o ns i m u l a t i o ns o f t w a r ef o rg r a yi r o n 5 1 5 1e n v i r o n m e n ta n dp l a t f o r m 5 1 1 ；2d i v i s i o n so f t m c a s t - g r a yi r o n 5 1 1 ；3m o d u l e so f t m c a s t - g r a yi r o n 5 2 5 3 1f l o wo fp r e d i c t i o nf o rs h r i n k a g ed e f e c t s 5 2 5 3 2f l o wo f c a l c u l a t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l d 5 4 v i 山东大学硕十学位论文 5 3 3f l o wo f c a l c u l a t i o no fs o l i df r a c t i o nf i e l d 5 5 5 3 4f l o wo fl i q u i dp o o ld i s t i n c t i o n 5 6 5 3 5f l o wo f c a l c u l a t i o no f p r e s s u r ef i e l d 5 8 5 4f h e r m o p h y s i c a lp a r a m e t e r s 5 9 5 5f u n c t i o n sa n di n t e r f a c eo f t m c a s t - g r a y i r o n 5 9 5 6r e s u i t so fs i m u l a t i o n 6 0 5 6 1t e m p e r a t u r ef i e l da n ds o l i df r a c t i o nf i e l d 6 2 5 6 2c u r v e s 6 2 5 6 3c o m p a r i s o n 6 5 5 6 4s h r i n k a g ed e f e c t s “6 6 c h a p t e r6c o n c l u s i o n 6 9 r e f e r e n c e 7 l a c k n o w l e d g e m e n t ”7 7 a p p e n d i x “7 9 v h v l i i 山东人学硕 ：学位论文 摘要 灰铸铁是我国国民经济乃至世界制造业最主要的材料之一，是近代工业生产 中应用最为广泛的一种铸造金属材料。由于其优良的铸造性能，良好的加工性能 和成本低廉等优点，灰铸铁在一般的机械制造、冶金矿山、石油化工、交通运输 和国防工业等各部门中发挥着基础性的作用。但是，灰铸铁生产能耗高、环境污 染严重。采用先进的铸造工艺设计手段，可以提高成品率，降低废品率，可以降 低能耗和污染。国外已较多地采用c a d c a m 等计算机辅助软件及模拟软件， 而在我国基本上还是靠工艺员经验进行设计，缺乏科学性和可靠性，造成铸件质 量与国外先进水平相比有较大差距。铸造c a e 方法借助于凝固模拟技术，用计 算机模拟铸件的凝固过程，揭示缺陷产生的原因并以此来指导设计和改善铸造工 艺，缩短设计周期，提高生产效率。 作者以凝固理论、传热学原理和灰铸铁凝固特性等为基础，采用热力学方法 与动力学方法相结合的模拟技术建立灰铸铁模拟框架。灰铸铁凝固可分为初生相 析出和共晶凝固两个阶段，而一般工业灰铸铁共晶相比重较高。对初生奥氏体析 出采用热力学计算模型，建立固相率与温度的关系；对共晶相采用动力学计算模 型即形核生长的计算模型，通过建立生长速度与过冷度的关系来确立固相率 与过冷度的关系。采用热焓法进行潜热处理，通过固相率计算潜热的释放，根据 灰铸铁初生相与共晶相潜热释放过程不同的特点，提出将初生相与共晶相潜热分 别处理的方法。采用临界固相率与收缩量综合法预测缩孔，采用考虑压力的 g r 法预测缩松。 分析了碳当量、孕育量和冷却速度与共晶团形核率的关系，设计并浇注了一 系列灰铸铁阶梯件，同时记录冷却曲线。基于瞬时形核的思想建立了与碳当量、 孕育量和冷却速度有关的灰铸铁共晶团形核率的计算模型，实现了定量分析。用 d s c 差示扫描量热法测量并分析上述实验铸件成分的潜热，依据测量数据分别 建立了初生相和共晶相的潜热释放计算模型。并发现灰铸铁潜热仅随合金成分的 变化而变化，硅含量对亚共晶灰铸铁的影响较大，随着硅含量越多，共晶释放潜 热和初生奥氏体析出潜热相应减少。 i x 山东大学硕1 ：学位论文 在依据数学模型和实验建立的上述形核和潜热计算模型的基础上，用面向对 象的程序设计语言c + + 设计并开发了灰铸铁凝固过程模拟计算软件 t m c a s t g r a yi r o n ，成功预测缩孔、缩松缺陷。t m c a s t 研a yi r o n 采用自创的多 熔池判别技术，准确、快速划分出多个缩孔、缩松熔池，用新的判别技术替代迭 代算法，可以提高2 0 的软件运算速度。程序实现冷却曲线显示并输出，温度场 输出，并为用户提供共晶团数量、压力等属性的查看。 关键词：灰铸铁；凝固过程；数值模拟；缩孔缩松 x 山东大学硕上学位论文 a b s t r a c t g r a yi r o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm a t e r i a l sw h i c ha r ee s s e n t i a lt oo u r n a t i o n a li n d u s t r ya n de v e nt h ew h o l ew o r l di n d u s t r ya sw e l la so n eo ft h em o s t w i d e s p r e a dc a s t i n gm a t e r i a l s d u et oi t sg o o dc a s t a b i l i t y , p r o c e s s a b i l i t ya n dl o wp r i c e ， 笋a y i r o n p l a y s af u n d a m e n t a lr o l ei n m a c h i n e r ym a n u f a c t u r e ，m e t a l l u r g y , p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , t r a n s p o r t a t i o n ，d e f e n s ei n d u s t r ya n ds oo n h o w e v e r ， c o m p a n i e si no u rc o u n t r ym a j o ri ng r a yi r o nc a s t i n ga r el e s ss p e c i a l i z e d ，m a k i n gh i 曲 e n e r g yc o n s u m p t i o na n dp o l l u t i o nt oe n v i r o n m e n t i nt h ea s p e c to fc a s t i n gt e c h n o l o g y d e s i g n ，t h ec o m p a n i e sa b r o a dm a i n l ye m p l o yc o m p u t e ra i d e ds o f t w a r ea n ds i m u l a t i o n s o l , r a r es u c ha sc a d c a m ，w h i l et h o s ei no u rc o u n t r ys i g n i f i c a n t l yr e l yo n e x p e r i e n c eo fe n g i n e e r s ，w h i c hi sl a c ko fs c i e n t i f i c a l n e s sa n dr e l i a b i l i t y , l e a v i n gt h e q u a l i t yo fc a s t i n g sm u c hl o w e rt h a nt h o s em a d ea b r o a d w i t ht h ea i do fs o l i d i f i c a t i o n s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y , f o u n d r yc a em e t h o dc a nb e u s e dt os i m u l a t et h e s o l i d i f i c a t i o np r o c e s s ，a n dt h e np r e d i c tt h ep o s i t i o na n ds h a p eo fs h r i n k a g ed e f e c t ，s o t h a tc a nb ee m p l o y e dt od e s i g na n di m p r o v ec a s t i n gt e c h n i q u e i tc a nh e l pc o m p a n i e s s h o r t e nd e s i g nc y c l e ，a n de n h a n c et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y b a s e do nt h es o l i d i f i c a t i o nt h e o r y , h e a tt r a n s f e rt h e o r y , a n ds o l i d i f i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fg r a y i r o n ，t h e r m o d y n a m i c sm e t h o da n dd y n a m i cm e t h o da r e c o m b i n e d e f f e c t i v e l y t ob u i l dt h ef r a m e w o r ko f g r a y i r o ns i m u l a t i o n t h e s o l i d i f i c a t i o np r o c e s si sd i v i d e di n t ot w o m a i ns t a g e s - - p r e c i p i t a t i o no f 砸m a r y p h a s e sa n de u t e c t i cs o l i d i f i c a t i o n a tt h ef o r m e rs t a g e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n s o l i d i f i c a t i o nr a t i oa n dt e m p e r a t u r ei se s t a b l i s h e d ，w h i l ea tt h el a t e ro n e ，s o l i d i f i c a t i o n r a t i oi sc a l c u l a t e dt h r o u g ht h en u c l e a t i o na n dg r o w t hm o d e l e n t h a l p ym e t h o di s i n t r o d u c e dt oc a l c u l a t et h el a t e n th e a t i nl i g h to fd i f f e r e n tw a y st or e l e a s et h el a t e n t h e a t ，t h el a t e n th e a to fp r i m a r yp h a s ea n de u t e c t i cp h a s ea r et r e a t e d i nd i f f e r e n t m e t h o d s t h ec r i t i c a ls o l i d i f i c a t i o nf r a c t i o nm e t h o da n ds h r i n k a g ev o l u m em e t h o d i su s e dt op r e d i c tt h es h r i n k a g ec a v i t y , w h i l eg | 瓜m e t h o dc a l c u l a t i n gp r e s s u r ei s x i u s e dt op r e d i c tp o r o s i t y a f t e ra n a l y z i n gt h ei m p a c to fc a r b o ne q u i v a l e n t ，i n o c u l a t i o na n dc o o l i n gr a t eo n t h en u c l e a t i o no fe u t e c t i cc e l l ，as e r i e so f c a s t i n g sa r ed e s i g n e d ，a n dt h ec o o l i n gc u r v e s o ft l l es p e c i a lp o i n t sa r er e c o r d e di nt h em e a n w h i l e t h el a t e n th e a to ft h o s ec a s t i n g s i sm e a s u r e db yd i f f e r e n t i a l s c a n n i n gc a l o r i m e t r y t h ec l o s e r t h ec o m p o s i t i o ni s a p p r o a c h i n gt ot h ee u t e c t i cp o i n t ，t h el e s st h el a t e n th e a to fp r i m a r yp h a s ei s ，a n dt h e m o r et h el a t e n th e a to fe u t e c t i cp h a s ei s s i l i c o nh a sg r e a t i n f l u e n c eo v e rl a t e n th e a to f h y p o e u t e c t i cg r a yi r o n a st h es i l i c o ni n c r e a s e s ，t h el a t e n th e a tr e l e a s e db yp r i m a r y p h a s ea n de u t e c t i cp h a s ei sr e d u c e d a c c o r d i n gt od s cd a t a , t h es i m u l a t i o nm o d e l so f p r i m a r yp h a s ea n de u t e c t i cp h a s ea r ee s t a b l i s h e d ，r e s p e c t i v e l y o nt h eb a s i so fs i m u l a t i o nm o d e l sb r o u g h tf o r t ha b o v e ，t m c a s t g r a yi r o n ，a s o l i d i f i c a t i o ns i m u l a t i o ns o f t w a r e ，i sd e v e l o p e db yao b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n g l a l l g u a g e c + + ，a n ds u c c e s s f u l l yp r e d i c tt h es h r i n k a g ec a v i t ya n dp o r o s i t y an e w m u l t i - l i q u i dp o o ld i s t i n c t i o nm e t h o di sp r o p o s e dt od i s t i n c td i f f e r e n tl i q u i dp o o l s i n s t e a do fi t e r a t i v ea l g o r i t h m ，t h en e w m u l t i l i q u i dp o o ld i s t i n c t i o nm e t h o dc a ns a v e 2 0 c o m p u t a t i o nt i m e t m c a s t g r a yi r o np r o v i d e sn e wf u n c t i o n ss u c ha st h ed i s p l a y a n do u t p u to fc o o l i n gc u r v e sa n di s o t h e r m a lc a lv e s o t h e rp a r a m e t e r si n c l u d i n g e u t e c t i cc e l ln u m b e ra n dp r e s s u r ea r eu n f o l d e dt ot h eu s e r s k e yw o r d s ：g r a yi r o n ；s o l i d i f i c a t i o np r o c e s s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c a v i t ya n d p o r o s i t y 第一章绪论 1 1 生产现状、选题背景及其意义 1 1 1 灰铸铁应用 灰铸铁在我国国民经济乃至世界制造业中占有极其重要的地位，是近代工业 生产中应用最为广泛的一种铸造金属材料。在一般的机械制造、冶金矿山、石油 化工、交通运输和国防工业等各部门中，铸铁件约占整个机器重量的4 5 9 0 。 2 0 0 7 年第1 2 期美国杂志( ( m o d e mc a s t i n g ) ) 发表的数据显示，2 0 0 6 年世界 铸铁总产量为9 1 3 6 8 万吨，其中灰铸铁件为4 2 5 3 9 万吨。我国灰铸铁件占世界 灰铸铁件总量的3 2 7 ，是美国、俄罗斯、日本、德国、英国的总和。2 0 0 5 年以 后三年，我国铸件产量逐年增加，到2 0 0 7 灰铸铁产量己达1 5 4 6 0 万吨，占铸件 总产量的4 9 4 。 表1 1 中国2 0 0 5 ，2 0 0 6 ，2 0 0 7 ，2 0 0 8 年铸件产量 t a b 1 1c a s t i n go u t p u t so f c h i n ai n2 0 0 5 ，2 0 0 6 ，2 0 0 7 ，2 0 0 8 t 1 - 2 】 表1 22 0 0 6 年中国、美国、俄罗斯、日本、德国、英国灰铸铁件产量万t t a b 1 2g r a yi r o nc a s t i n g so u t p u t so fc h i n a , u n i t e ds t a t e ，r u s s i a , j a p a n ，g e r m a n y , a n d u k 10 0 0 0 t 我国现有近3 万个铸造生产厂点，其中铸铁企业占6 5 4 ，铸钢企业占 山东大学硕j j 学位论文 1 8 1 ，有色合金铸造企业占1 6 5 。 表1 32 0 0 6 2 0 0 8 年我国各主要行业对铸铁件和铸铝件需求量预测【3 1 l ( t t a b 1 3t h ef o r e c a s to fi r o na n da l u m i n u md e m a n d so fa l li n d u s t r i e sf r o m 2 0 0 6t o2 0 0 8 我国灰铸铁件数量巨大、应用广泛，但灰铸铁生产存在着诸多问题，造成灰 铸铁件质量相对较差，价格明显低于进口铸铁件，这些很大程度上阻碍了我国从 铸造大国走向铸造强国的发展进程。 1 ) 企业规模小、专业化程度低、生产能耗高【4 】、环境污染高 目前我国每吨铸件的能耗为：铸铁5 5 0 k g , - - 6 5 0 k g 标煤，铸钢9 0 0 k g l o o o k g 标煤；发达国家分别为3 0 0 k g , 、- 4 0 0 k g 标煤，5 0 0 k g 8 0 0 k g 标煤。在我国目前缺 能少电的情况下，能源已成为制约行业发展的瓶颈。我国铸造企业的环保投资少， 单位产量的三废( 废渣、粉尘、废气) 排放量为国外的1 0 倍。 2 ) 我国的铸件质量与国外先进水平相比有较大差距 铸件尺寸精度普遍低l 2 级，表面粗糙度差l 2 级，铸件壁厚也厚得多。 材料成分、组织和性能的一致性、稳定性与发达国家相比也有差距。目前，提高 灰铸铁铸件的内在质量是我国从铸造大国走向铸造强国的重要任务之一。 3 ) 我国铸造生产工艺、装备及产品检测手段还不够完善【5 】 对于造型和制芯，只有少数铸造厂采用高密度的静压、射压、气冲造型等高 效流水线造型，大多数铸造厂仍采用震压式造型机或手工造型；制芯则仍采用以 桐油、合脂、粘土等粘结剂砂为主。在铸造工艺设计方面，国外已较多地采用 c a d c a m 等计算机辅助软件及模拟软件，而在我国基本上还是依靠工艺员经验 山东人学硕t 学位论文 ! l 皇量鲁量皇皇暑量詈! 曹鲁曼皇曼篁宙詈皇量詈皇鼍詈皇量詈富葛暑詈曼暑鼍! 皇曼喜薯毫曼鼍! ! 曼! 曼曼詈詈鼍皇毫皇曼! ! 曹曼皇曼皇曼昌詈毫皇詈! 皇量量皇曼鲁詈鼍鼍 目前，发达国家的制造产业正在逐步向发展中国家逐步转移，而中国铸造业 也迎来更大的发展机遇。适应当代世界经济全球化，把我国从世界铸造大国变成 铸造强国，提高铸件质量、降低成本，并且做到对市场的快速反应，还面临着巨 大的挑战。铸造凝固过程模拟技术是材料学科发展的前沿【6 1 ，它可以辅助生产企 业缩短试制周期，降低铸件成本，减少资源浪费，提高经济效益，加速产品更新 和技术升级，对于促进我国建设节约型社会和促进国民经济发展方式转变有着重 要的现实意义。 1 1 2 灰铸铁性能 灰铸铁之所以能够获得广泛的应用和发展，是因为它作为机械制造用的材 料，具有其他金属材料所不及的优良性能。 1 ) 优良的铸造性能 由于灰铸铁的化学成分接近共晶点，所以铁水流动性好，充型能力强，可以 铸造非常复杂的零件。石墨析出膨胀使铸件凝固时的收缩量减少，减轻铸件的铸 造应力、减小产生缩孔缩松的倾向，得到致密的组织【刀。 2 ) 优良的耐磨性和消震性 石墨本身具有润滑作用，石墨掉落后的空洞能吸附和储存润滑油，使铸件有 良好的耐磨性。此外，由于铸件中带有硬度很高的磷共晶，又能使抗磨能力进一 步提高，这对于制备活塞环、气缸套等受摩擦零件具有重要意义。 石墨可以阻止震动的传播，灰铸铁的消夸大能力是钢的1 0 倍，常用来制作 承受震动的机床底座。 3 ) 较低的缺口敏感性和良好的切削加工性能【8 】 灰铸铁中由于石墨的存在，相当于存在很多小的缺口时表面的缺陷、缺口等 几乎没有敏感性，因此，表面的缺陷对铸铁的疲劳强度影响较小，但其疲劳强度 比钢要低。由于灰铸铁中的石墨可以起断屑作用和对刀具的润滑起减障作用，所 以其可切削加工性是优良的。 4 ) 灰铸铁的机械性能 灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性及弹性模量都低于碳素锈钢。灰铸铁的抗压 强度和硬度主要取决于基体组织。灰铸铁的抗压强度般比抗拉强度高出三四 倍，广泛用作机床床身和支柱受耐压零件的原因。 山东大学硕十学位论文 5 ) 生产成本低 1 2 灰铸铁凝固过程 1 2 1 灰铸铁的凝固过程和特点 铸铁属共晶型的f e 、c 、s i 合金，冷却过程中总有共晶凝固转变【9 】。共晶转 变方式可分为1 ) 稳定系共晶转变，转变产物为奥氏体加石墨，形成灰口断面的 各种铸铁；2 ) 介稳定系共晶转变，转变产物为奥氏体加渗碳体，形成白口断面 的各种铸铁。灰铸铁以稳定系的共晶转变方式凝固。 灰铸铁的凝固过程分为两个阶段： 1 ) 从液相线到共晶转变开始温度，析出奥氏体晶体或初生石墨； 2 ) 从共晶转变开始温度到共晶转变终了温度，发生奥氏体+ 石墨的共晶转变。 上述两个阶段都经历形核和长大的过程。 一般的工业灰铸铁都是亚共晶成分。初生相析出阶段，当熔体达到液相线并 存在足够的过冷度时，亚共晶铸铁中，开始出现初生奥氏体的形核。随着温度的 继续下降，初生奥氏体不断形核和长大，残留熔体逐渐减少，奥氏体枝晶间的液 体含碳量不断增加。当温度降低到略低于稳定系共晶平衡温度，既具有一定程度 的过冷度后，初生奥氏体枝晶间熔体的含碳量达到共晶成分。此时石墨形核并长 大，出现了石墨熔体的界面，由于石墨含碳量高，因此界面上含碳量低，这就 为共晶奥氏体的析出创造了条件，奥氏体的析出反过来有促进了共晶石墨的继续 生长。因此出现了从熔体中同时析出奥氏体和石墨的格局，至此，铸铁便进入了 共晶转变阶段。 在奥氏体与石墨的共生共长过程中，奥氏体相与石墨相的生长分别按照扩散 控制生长和界面控制生长。所谓扩散控制生长是指相的生长速度由原子向生长界 面扩散的速度控制：所谓界面控制生长是指生长速度有界面吸收扩散原子的能力 控制。奥氏体与石墨的生长机制与生长速度均不相同，构成了奥氏体与石墨共晶 团的特定形状，而其中石墨生长是共晶团生长方式的限制性环节。图1 1 示意地 说明了亚共晶灰铸铁的共晶转变过程。 4 山