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高碳当量高强灰铸铁组织性能的研究,当量,高强,灰铸铁,组织,性能,研究
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高碳当量高强灰铸铁组织性能的研究月 日高碳当量高强灰铸铁组织性能的研究摘要 铸铁具有优良的铸造性、可加工性、耐磨性、吸震性和低成本等优点，是柴油机缸盖的理想材料，但随着现代柴油机功率密度的不断提高，柴油机缸盖承受的热负荷和机械负荷也被要求不断提高。不但要求缸盖材料具有很好的强韧性、耐热性和抗疲劳性，还要求其具有较好的导热性，以缓解局部过热引起的热应力。为了得到高性能的灰铸铁，本文通过三水平四因素正交试验设计制备了九组不同合金含量的高强度灰铸铁，四因素分别为Cr、Mo、Ni和Cu。采用光学金相显微镜、力学性能测试、扫描电镜等手段，综合分析了合金元素加入量的变化对显微组织、力学性能和断裂特性的影响。 实验结果表明：Mo和Cr为影响合金室温抗拉强度的主要因素，Ni为影响合金室温硬度的主要因素。石墨弯曲程度越大，抗拉强度越大。Mo能细化珠光体，减少铁素体数量，Cr和Cu还能稳定珠光体。因此考虑到合金的综合室温力学性能得出了最优水平：Cr（3）Mo（2)Ni（2）Cu（1）；0.5wtCr，0.4wtMo，0.6wtNi，0.4wtCu。关键词：高强度；灰铸铁；正交试验；抗拉强度；硬度；延伸率IIStudy of high-strength carbon gray cast iron equivalent performanceAbstract Cast iron has excellent casting , workability , abrasion , shock absorption , and low cost , etc., is an ideal material for cylinder head , but with the continuous improvement of modern diesel power density , cylinder head withstand thermal and mechanical loads load is also increasing demands . Cylinder head material requires not only has good toughness , heat resistance and fatigue resistance is also required to have good thermal conductivity to alleviate thermal stress caused by local overheating .In order to obtain high performance of gray cast iron, we synthesized nine different alloy content of high strength gray iron with three levels and fourfactors orthogonal test design of four factors, respectively Cr, Mo, Ni and Cu. By using optical microscope, mechanical property test, SEM, a comprehensive analysis of the effects of changes of alloy elements on the microstructure,mechanical properties and fracture characteristics of the.The experimental results show that: Mo and Cr were the main factors affectingthe tensile strength of the main factors to influence Ni, the hardness of the alloy at room temperature. The bending degree of graphite is greater, the greatertensile strength. Mo can refine pearlite, reduce the amount of ferrite, Cr and Cu can stabilize the pearlite. Therefore, considering the comprehensive mechanicalproperties of the alloy reached optimal level: Cr (3) Mo (2) Ni (2) Cu (1);0.5wt%Cr, 0.4wt%Mo, 0.6wt%Ni, 0.4wt%Cu.Key words: high intensity; gray iron; orthogonal test; tensile strength; hardness; elongationIII目 录1 绪论1 1.1题目背景及研究意义1 1.2国内外灰铸铁的研究现状2 1.3铸铁3 1.3.1铸铁的特点4 1.3.2铸铁的性能4 1.3.3铸铁的分类4 1.4灰铸铁的组织特征与力学性能5 1.4.1石墨组织7 a片状石墨的形态7 b石墨化7 1.4.2灰铸铁基体组织8 1.4.3灰铸铁组织与力学性能的关系9 1.4.4提高灰铸铁的力学性能9 1.4.5合金元素对灰铸铁的影响10 1.4.6孕育处理11 1.5正交实验概念及原理12 1.5.1正交实验设计的基本概念12 1.5.2正交实验设计的基本原理12 1.6本课题的研究意义与内容12 1.6.1研究意义12 1.6.2研究内容122 实验条件及方法13 2.1实验原料13 2.2正交试验13 2.3实验合金14 2.3.1化学成分14 2.3.2合金元素14 2.4造型和工艺15 2.5熔炼及浇注15 2.6试样加工15 2.6.1抗拉试样加工15 2.6.2其他试样的加工16 2.7性能测试16 2.7.1硬度测试16 2.7.2抗拉强度测试16 2.8高碳当量高强灰铸铁的金相组织和断口分析17 2.8.1金相分析17 2.8.2 SEM断口分析173 实验结果分析18 3.1正交实验18 3.1.1室温力学性能正交试验结果分析18 3.2高强灰铸铁的显微组织的分析21 3.2.1石墨等级及类型分析22 a石墨等级22 b石墨类型22 c石墨分析22 3.2.2高强灰铸铁基体组织金相分析23 3.3拉伸试棒的断口分析254 结论27参考文献28III1 绪论1.1题目背景及研究意义 由于灰铸铁作为结构材料历史悠久，良好的铸造性能、良好的减振性、良好的耐磨性能、良好的切削加工性能、低的缺口敏感性。同时，与其它合金相比具有熔点低、充型性好、加工性好、生产设施和成型过程简单以及成本低廉的优越性。所以，长期以来灰铸铁在铸铁件中所占的比重非常大。随着市场竞争的剧烈，灰铸铁作为一种传统的“量大面广”的金属结构材料，其产量占铸铁总产量80%以上，正面临着材料的质量、性能和价格的严重挑战。由于灰铸铁的强度相对较低，所以一段时间以来受到冲压件、焊接件、球墨铸铁、有色金属和塑料等材料的强有力竞争，需求量呈下降趋势。 然而，迄今为止，大型载重汽车的某些工件(如大马力柴油发动机缸体）的选用材料仍然非灰铸铁莫属。虽然，国外已经有用蠕铁生产缸体、缸盖的报道，但由于目前蠕铁的产品设计和生产稳定性、成本、加工性能、使用性能等方面的原因，蠕铁缸体、缸盖的发展尚受到较大限制。因此人们不得不将视线转回到灰铸铁铸铁材质，开展对灰铸铁进一步提高强度的可能性进行研究。因此，如何发挥灰铸铁的优点，改进其抗拉强度低的缺点，生产出高强度的灰铸铁铸件，扩大其应用范围，越来越引起广大科研工作者及生产厂家的高度重视。长期以来，对高强度灰铸铁的凝固过程、孕育变质处理和合金元素对灰铸铁组织与性能的影响已进行了大量、系统地研究。然而，研究所用的高强度灰铸铁（b300MPa) 为了保证其具有高强度，碳当量一般均在3.8%左右。而低碳当量灰铸铁的白口倾向、热裂倾向及收缩倾向比较严重，同时加工性能较差。因此，人们对高碳当量（3.9%4.02%）灰铸铁强度的提高产生了极大的兴趣1。高碳当量灰铸铁一般是指碳当量在共晶点附近的一类铸铁。此类铸铁具有良好的铸造性和减磨性,同时,与其它合金相比具有充型和加工容易、生产设施和成型过程简单以及成本低廉等优越性。对b300MPa的高碳当量、高强度灰铸铁的研究近十多年来广大铸造工作者一直关注的问题。汽车制造行业一直是灰铸铁铁件，特别是高强度灰铸铁铸件的重要市场，这些灰铸铁部件一般集中在发动机上。而被称为“铸造之花”的缸体作为占发动机总重量60%80%的铸件中重量最重、复杂程度最高、生产难度最大的一个关键铸件，对灰铸铁强度的要求最高。这是因为缸体在发动机工作过程中需要承受较高的机械应力，要求其必须具有好的断面均匀性（包括性能、组织成分均匀）以及优异的力学性能（抗拉强度）和铸造性能。随着汽车工业的不断发展，发动机对马力的要求越来越高，因此对发动机上重要的缸体、缸盖等铸件提出了更高的使用性能和工艺性能要求，要求在高碳当量（3.9%4.2%）下，具有高强度、高致密性、高热疲劳性、低应力、好的加工性能、表面光洁、尺寸精确等特点2。多年以来，国内外生产高碳当量（3.9%4.2%）高强度大马力柴油发动机缸体灰铸铁铸件时，为了提高碳当量灰铸铁缸体铸件本体抗拉强度大于240MPa，必须要向高碳当量灰铸铁铸件中加入一定量的钼等合金元素来生产。但是，随着世界范围内钼铁合金价格的飙升，成本提高带来的压力称为摆在各个生产厂家面前的一道不可逾越的鸿沟，制约了产品在市场中的竞争力，因此，迫切需要在保证其强度的基础上降低其生产成本。如何发展灰铸铁的优点，改进其抗拉强度低的缺点，生产出高碳当量高强度的灰铸铁铸件，扩大其应用范围，越来越引起研究者及其生产厂家的高度重视3。1.2国内外灰铸铁的研究现状 在高强度灰铸铁铸件中，由于发动机缸体、缸盖铸件的尺寸大、结构复杂、必须具有较高的力学性能和热疲劳性能，因此，对其基体组织要求严格，铸件本体部位的珠光体含量95%以上，石墨呈A型。所以缸体、缸盖的生产水平标志着一个国家在高强度灰铸铁铁件方面生产水平的高低。 当今社会，科学技术的发展、生产水平的提高，都离不开先进的生产设备。由于具有适应性强、可以利用某些合金的特性、尺寸精度高、成本低的众多优点，铸造在工艺生产中占有重要的地位从铸铁在机械产品中所占的比重可以看出其重要性。铸铁是近代工业生产中应用最为广泛的一种铸造金属材料4。随着经济发展和市场需求的变化，重卡逐步向重型化，大功率发展已经成为一种趋势。 由于灰铸铁有良好的耐磨性、消震性以及切削加工性能，其在铸造生产中有着非常广泛的应用，尤其是在汽车行业的应用。大马力发动机的缸体以及缸盖大多使用高强度灰铸铁未材质，而一般发动机材质也大量使用灰铸铁，据统计1995年世界主要汽车公司生产的265.2万吨发动机缸体以及缸盖铸件中，在我们出少数大马力发动机的缸盖使用蠕墨铸铁外，重卡系列的发动机缸体和缸盖均为高强度灰铸铁。2006年世界9136.8万吨铸铁铸件中，灰铸铁铸件产量为4253.9万吨，我国生产的灰铸铁铸件占世界总量的32.7%。可见，虽然灰铸铁由于强度等问题，受到球墨、蠕墨铸铁、有色金属以及塑料等材料的强力竞争，29但是需求量依然很大。为了克服灰铸铁的种种缺点，科研工作者做了大量的研究工作，取得了大量的可喜成果5。 长期以来，国内外学者和专家为了提高灰铸铁的强度开展了大量、系统地研究工作，其途径如下：（1）降低碳当量，提高灰铸铁抗拉强度。但存在铸造工艺性能变差；白口倾向增大。难以加工；应力大，容易产生裂纹；铁液收缩大，易产生缩松，造成渗漏；铸件断面敏感性高，容易产生废品等关键理论与技术难题。（2）对高碳当量灰铸铁进行合金化，但由于世界范围内Mo、Ni等价格的快速升高，其存在的成本高和加工性能较差的关键理论与技术难题一直制约了其产品在市场中的竞争力。近三十年来，科研工作者字灰铸铁方面取得的成就和成果，国内外取得专利百余篇。主要以针对应用于汽车上缸体缸盖以及汽配等的灰铸铁为主。国内外对高强度灰铸铁一般为高碳当量灰铸铁，碳当量一般在3.94.1%之间。国内对高强度灰铸铁的研究在保持高碳当量的前提下，提高灰铸铁强度方面做了大量的研究工作，其主要集中在添加合金元素、提高铁水的冶金质量以及强化变质等几方面6。 随着汽车工业的不断进步与发展，发动机正向着大马力。速度和轻量化方向发展，对发动机上重要的缸体、缸盖等铸件提出了更高的要求，要求高强度、高致密性、高热疲劳性、低应力、表面光洁、尺寸精确。如今，高强度灰铸铁得到很大的发展，国外发动机缸体、缸盖的材质品牌都在HT250以上。此外，高强度灰铸铁还广泛应用于拖拉机、液压机、通用机械、试验仪器、农机等行业7。我国在高强度灰铸铁的研究与生产技术上与国外的主要差距： （1）铸造工艺落后。相比于发达国家，我国的铸造工艺还是处于探究状态。铸件壁厚大、重量大，发动机缸体比国外重30%以上。 （2）强度低。同样的铁水化学成分生产出来的铸件，强度比国外低12牌号。 （3）耐磨性差、寿命低、断面敏感性大，加工性能差。 其次，与国外的差距还有就是孕育技术落后。国外非常重视方法的研究，发展了各种品种。然而国内品种单一，缺乏质量要求等。1.3铸铁 铸铁不是纯铁，它是一种以Fe、C、Si为主要成分在结晶过程中均有改进转变的多元铁基合金。铸铁的化学成分一般为：w（c）=2.5%-4.0%、w（Si）=1.0%-3.0%、w（P)=0.4%-1.5%、w（s）=0.02%-0.2%。为了提高铸铁的机械性能，通常在铸铁成分中添加少量的Cr、Cu、Mo、Ni等合金元素制合金铸铁。灰铸铁是指具有片状石墨的铸铁，主要成分是Fe、C、Si、Mn、S、P，是应用最广的铸铁，其产量占铸铁总产量80%以上8。 铸铁是人类最早的金属材料之一。到目前为止，铸铁仍是一种被广泛应用的金属材料。例如，按质量统计，在机床业中铸铁件约占60%到90%，在汽车、拖拉机行业中，铸件约为50%到70%。高强度铸铁和特殊性能铸铁还可以替代部分昂贵的合金钢和有色金属材料。 铸铁之所以获得广泛的应用，主要是由于生产简单、成本低廉，并且具有优良的铸造性、可加工性、耐磨性和吸震性等。因此，铸铁广泛应用于机械制造、冶金、矿山及交通运输部门9。1.3.1铸铁的特点 铸铁的含碳量较高，其性能比较脆，抗拉性能比较差。但铸造性能比较好，可以采用铸造的方法加工出形状相对复杂的零件。铸铁和碳钢相比较，其化学成分除了较高的w（c）、w（Si）外，还含有较高的杂质元素Mn、P、S，在特殊性能的合金铸铁中，还含有某些合金元素10。所有这些元素的存在及其含量，都将直接影响铸铁的组织和性能。 由于铸铁中的碳主要是以石墨形式存在的，所以铸铁的组织是由金属基体和石墨所组成。铸铁的金属基体由珠光体、铁素体、珠光体加铁素体三类，它们相当于钢的组织。因此，铸铁的组织特点，可以看成是在钢的基体上分布着不同形状的石墨。1.3.2 铸铁的性能 铸铁，就是铁中的碳含量在2.11%6.69%之间的金属。部分碳以独立的形态存在。这些独立的碳就叫石墨。基体组织和石墨分布。珠光体越多，石墨分布越细小均匀，强度、硬度也越高，必须控制铸铁的石墨化程度。加Si能促进石墨的形成。由于石墨对基体的割裂作用，使得铸铁抗拉强度和弹性模量均比钢低得多。铸铁硬度强度比钢更大，但塑性、韧性、抗疲劳性比钢要小的多。也就是说使用性能不及钢铁11。铸铁的机械性能主要取决于基体组织和石墨数量、形状、大小和分布。铸铁含碳量太高，比较脆，韧性差，容易裂不能锻制，不能承受过大的拉伸应力，不能用于重要零件。1.3.3铸铁的分类按碳在铸铁中存在的状态及形式的不同，可将铸铁分为：白口铸铁：碳绝大部分以在铁素体状态存在，断口亮白色，铁素体硬而脆，机械较少应用。碳以石墨形式存在。灰铸铁：石墨片状存在西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）可锻铸铁：团絮状球墨铸铁：圆球状蠕墨铸铁：蠕虫状在相同基体组织情况下，其中以球墨铸铁的力学性能为最高，可锻铸铁次之，蠕墨铸铁又次之，灰铸铁最差12。但由于灰铸铁成本低廉，并具有铸造性、可加工性、耐磨性及减震性均优良的特点，是工业中应用最为广泛的一种铸铁。1.4灰铸铁的组织特征与力学性能灰铸铁的强度主要由石墨形式、尺寸和基体中珠光体、铁素体比例等因素所决定。高强度灰铸铁铸件组织应该为：一定数量的奥氏体枝晶为骨架；足够的共晶团数目、中等尺寸的A型片状石墨，片间距较小的百分之百的珠光体。同时，基体组织对灰铸铁的力学性能也有一定的影响，铁素体基体灰铸铁的石墨片粗大，强度和硬度最低，故应用较少；珠光体基体灰铸铁的石墨片细小，有较高的强度和硬度，主要用来制造较重要铸件；铁素体一珠光体基体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大，性能不如珠光体灰铸铁。故工业上较多使用的是珠光体基体的灰铸铁13。灰铸铁的力学性能与基体的组织和石墨的形态有关。灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢，但抗压强度与钢相当，也是常用铸铁件中力学性能最差的铸铁。同时，基体组织对灰铸铁的力学性能也有一定的影响，铁素体基体灰铸铁的石墨片粗大，强度和硬度最低，故应用较少；珠光体基体灰铸铁的石墨片细小，有较高的强度和硬度，主要用来制造较重要铸件；铁素体一珠光体基体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大，性能不如珠光体灰铸铁14。随着柴油机向高转速大功率方向发展,气缸体与气缸盖的工况恶化,机械负荷加大,因此采用低合金灰铸铁制造,以提高零件的力学性能与热疲劳性能。常用合金元素为促进灰铸铁珠光体化的元素,这些合金元素对灰铸铁石墨化能力、抗拉强度和硬度的影响见图1-1和图1-2所示。由图1-2知,当合金元素加入量在1.0 %以下时,提高灰铸铁抗拉强度的能力,由弱至强的顺序排列为Ni , Cu , Cr ,Mo ,V。钼与镍价格昂贵,少量用钼,一般以铜代替镍,普遍加入铬与铜,生产灰铸铁气缸体与气缸盖。锡、铜与铬是强烈稳定珠光体的元素,但对细化珠光体的作用很小。只有当铜含量大于0.5 %时灰铸铁的抗拉强度才有明显的提高17。加入0.2 %0.3 %铬后,铸铁强度提高幅度较大,有利于增加珠光体量和改善石墨形态,有效增加材料的强度及硬度。当含铬量大于0.35 %时,会使铸件渗漏倾向明显增加;含铬量大于0.5 %时,铸件中易出现初生碳化物,影响机加工性能,故加铬量以不超过0.35 %为宜。实践表明,当铬含量大于0.35 %时,气缸盖螺孔搭子处会出现缩松,产生漏气。两种以上合金元素配合使用的效果要比用一种合金的效果好,如Cu能中和Cr ,Mo的白口倾向。灰铸铁中加入Cr ,Cu与Mo等少量合金元素,铸件的强度与热疲劳性能有所提高,铸件的壁厚敏感性有所减小,但铸件的缩孔与缩松倾向增大,因此应适当提高碳含量与碳当量。 图1-1 合金元素对铸铁石墨化的影响 图1-2合金元素对灰铸铁硬度和b的影响 总的来说，灰铸铁的力学性能虽然来源于它的金属基体，但却很大程度上受制于石墨。它的性能是基体与石墨的综合体现。1.4.1 石墨组织 灰铸铁中的石墨是灰铸铁中的软相。石墨晶体具有六方晶格结构，碳原子占据着六方棱柱的各个角点。单元晶格包含两个六方晶面和六个棱柱面，基面的碳原子以共价健连接，结合力较强，原子结合力为293-335KJ/mol。相邻基面的原子层之间以极性键结合，原子结合能为70KJ/mol，这种结合方式使得石墨的强度低。石墨的形态、尺寸对灰铸铁的性能有很大的影响，对石墨的形态、尺寸的改变也是对灰铸铁进行孕育处理的主要任务。灰铸铁中的石墨片，有切割金属基体、破坏其连续性、使其强度降低的作用。从强度考虑，应避免产生长而薄的石墨片和粗大的石墨片，具明显方向性的石墨片影响尤大。控制石墨片的分布状况，是保证灰铸铁性能的关键15。 a 片状石墨的形态 由于不同的生长条件，片状石墨出现不同的形貌，根据基体中石墨的不同形态，可以将片状石墨分为A、B、C、D、E、F六种。A型石墨是在铸铁的石墨生核能力较强、冷却速率较低、在过冷度很小的条件下发生共晶转变时形成的。在光学显微镜下观察时，石墨呈均匀分布的弯曲片状，无方向性，其长度则因铸铁的生核条件和冷却速率而不同。高品质的结构铸件，都希望其具有中等长度的A型石墨。B型石墨被称为菊花型石墨，它的共晶团中心存在点状石墨，在点状石墨周围发散的为A型石墨，形貌类似花蕊与花瓣的分布。B型石墨的中心分布的石墨一般比较细小，而外围的石墨比较粗大，一般如果B型石墨含量不多对灰铸铁的性能影响不大。C型石墨为过共晶灰铸铁的初生石墨，由于生成温度较高生长时间较长，其一般尺寸比较大，虽然我们研究的高强度灰铸铁的为亚共晶灰铸铁，但假如孕育剂加入量过大或者局部硅元素富集也可能产生这种石墨。D型石墨是在灰铸铁的碳当量较低、冷却速率较高，在过冷度较大、初生奥氏体枝晶发达的条件下载奥氏体枝晶间形成的，石墨片细小而无方向。D型石墨一般被称为过冷石墨或者枝晶间石墨，一般D型石墨会伴随铁素体一起生长。E型石墨是在碳当量较低、冷却速率也较低的条件下形成的。由于初生奥氏体枝状晶较多、发生共晶转变时过冷度不大、石墨核心不太多、共晶团较大，形成的石墨片大于D型石墨。由于冷却比较缓慢，奥氏体枝状晶发达，发生共晶转变时液相主要在初生奥氏体枝状晶之间，形成的石墨片沿枝状晶方向生长，具有一定的方向性，对铸铁力学性能的影响较大，要力求避免其产生。F型石墨也称为星形石墨，其在过冷度比较大的高碳当量的铁水中产生，本质上来说与C型石墨是相同的。 可能出现E型石墨的铸铁，如冷却速率较高，也会形成D型石墨。因此，在高强度薄壁铸铁件中往往会同时见到D型石墨和E型石墨。生产优质灰铸铁件，应使其基体组织全部为珠光体，石墨为A型，而且石墨片要均匀分布于金属基体中，珠光体也应细小而均匀。要尽可能的地使组织中的B型石墨和D型石墨减至最少，不应该有C型石墨和E型石墨。为此，必须进行有效的孕育处理并控制铸件的冷却速率16。 b 石墨化 根据铁碳双重相图,可将石墨化过程分为三个温度阶段。根据各阶段中石墨化进行的程度不同,将得到不同的铸铁组织： 第一阶段“液相一共晶结晶”阶段:过共晶液相中直接析出初生石墨；共晶转变形成的共晶石墨(L十G)；一次渗碳体及共晶渗碳体在高温下分解析出石墨。这一阶段石墨化充分进行,可以得到奥氏体+石墨的灰口组织；如果冷速快,石墨化完全不进行,将得到莱氏体（+Fe3C)的白口组织；若介于上述两者之间,即既有石墨又有部分莱氏体,便是麻口组织。 第二阶段)“共晶一共析之间”阶段:从奥氏体中直接析出二次石墨；二次渗碳体在这一温度范围分解析出石墨。这一阶段石墨化如能充分进行,二次石墨一般沉积在共晶石墨的表面,使石墨片长大,组织无明显变化。如石墨化不能充分进行,奥氏体中析出的是Fe3C11沿奥氏体晶界呈网状分布,将造成脆性. 第三阶段)“共析转变”阶段:共析转变过程中形成石墨行(十G)；共析渗碳体分解而生成石墨。这一阶段石墨化的程度决定了基体的组织。石墨化充分,基体组织是铁素体;石墨化进行不完全,基体组织是珠光体,介乎其间则得到“铁素体+珠光体”的基体组织。1.4.2灰铸铁基体组织灰铸铁的基体组织一般主要含有珠光体、铁素体、少量的渗碳体以及磷共晶。基体组织对灰铸铁的强度有很大的影响，珠光体含量越多，硬度越高，弹性越好，同时珠光体片间距越小，硬度和弹性也就越高。我们希望在高强度灰铸铁中大量的细小片间距的珠光体以及较少的铁素体、渗碳体以及磷共晶。大量的聚集的铁素体会严重影响灰铸铁的力学性能。为了得到以珠光体为主的基体，我们可以加入促珠光体化的合金元素，如：Mo、Mn、V、Cu、Cr等元素。一般来说，高强度灰铸铁中均含有这几种17。渗碳体为硬质高碳相，其结构为6个铁原子构成八面体，每个碳原子相邻的八面体共用一个C原子。在渗碳体中经常有一些化学性质以及尺寸与铁或者碳相似的元素取代其位置形成合金化合物，比如Gr、Mo、V、Mn等元素。由于铁素体的强度比较低，所以在高强度灰铸铁中希望尽量少的铁素体，在铁素体中不仅可以融入碳也可以融入硅来提高铁素体的强度和硬度，但是溶解一定程度以后就会出现脆化，韧性明显降低。在高强度灰铸铁中希望得到基本为珠光体的基体，珠光体的强度比铁素体高，塑性比铁素体低18。在低温下得到的珠光体片间距比较小，组织比较密集，强度也比较高，我们将珠光体片间距小亦称作珠光体分散度高，层片密集。1.4.3灰铸铁组织与力学性能的关系灰铸铁的力学性能是由灰铸铁的组织决定的，灰铸铁的金相组织是由基体组织和片状石墨组成石墨的形态尺寸以及基体中珠光体、铁素体的比例，基体中珠光体的片间距等都会影响到灰铸铁的强度。我们呢希望得到的高强度灰铸铁的组织为：均匀分布、中等大小的A型石墨；均匀分布、中等或中细的珠光体基体；枝晶发达，可以形成网络框架的初生奥氏体；尽可能少的杂质物颗粒；尽可能少的游离分布的渗碳体及磷共晶。我们知道，片状石墨分布在灰铸铁中，一方面使其力学性能下降，石墨的存在减少了基体实际的载荷截面积，更重要的是片状石墨边缘的尖端在受力后更容易造成应力集中。使抗拉强度降低，而灰铸铁的抗拉强度是其力学性能的一个重要指标。另一方面石墨的存在又让灰铸铁拥有优于很多其他材质的性能，如良好的切削性能。良好的减震性、比较低的断口敏感性以及耐磨性能。灰铸铁的硬度和抗拉强度之间有一定的关系，但不同的碳钢具有的一定的比值。因为灰铸铁的硬度主题取决于基体，例如集体中的珠光体含量增加以及珠光体的片间距减少会使硬度提高基体中有游离的渗碳体以及磷共晶等硬相的存在也会使硬度增加19。而抗拉强度却不仅仅取决于基体，准确的说，抗拉强度更多的受制于石墨，石墨的大小，形态，分布以及十米尖端形貌都活影响到灰铸铁的抗拉强度。总的来说，灰铸铁的力学性能取决于石墨和基体组织，但更多的受制于石墨。要获得优质的高强度灰铸铁铸铁，改变石墨形态以及尺寸是非常重要的思路。1.4.4提高灰铸铁的力学性能 提高灰铸铁的力学性能是拓宽灰铸铁应用的前提，因此，提高灰铸铁的力学性能永远是国内外铸铁研究和生产者追求的主要目标，大马力发动机机身铸件是最典型的也是最难生产的高强度灰铸铁的铸件，其材质必须是既要有高的强度和硬度，同时还要有好的铸造性能和切削加工性的高强度灰铸铁20。长期以来，对高强度灰铸铁的凝固过程、孕育变质处理和合金元素对其组织与性能的影响已进行大量的、系统地研究。然而，研究所有的高强度灰铸铁（300MPa）为了保证其具有高强度，碳当量一般均在3.8%左右。而低碳当量灰铸铁的白口倾向、热裂倾向及收缩倾向比较严重，同时加工性能较差，因此，人们对高碳当量（3.9%-4.2%）灰铸铁强度的提高产生了极大的兴趣。对 300MPa的高碳当量、高强度灰铸铁的研究是近十多年来广大铸造工作者一直关注的问题。 为了提高灰铸铁的性能，常采取下列几种措施；选择合理的化学成分；改变炉料组成，过热处理铁液；孕育处理；微量或低合金化。采取何种措施取决于所求的性能及生产条件，往往同时采取两种以上措施21。1.4.5合金元素对灰铸铁的影响 生产高牌号灰铸铁件,基体组织的控制尤为重要,合金元素对石墨和基体组织均有影响,因而可以在很大程度上改善力学性能。通常,采用选择适宜的碳当量和通过孕育、变质手段来控制铸铁的基体组织,但往往不能获得所需要的组织,强度和硬度达不到零件的要求。大量生产实践证实,高强度灰铸铁的生产必须进行合金化。合金化的主要作用是提高铸件材质的强度和硬度。但是并不意味着,合金元素的含量越高,铸件的强度就越高,每种合金元素都有其适当的加入范围。 有很多合金元素可以提高灰铸铁的抗拉强度和其他性能，对抗拉强度影响的元素由强到弱排列为 V、Mo、Cr、Cu、Ni。目前国内提高灰铸铁强度加入的合金元素主要有 Cr、Cu、Mo 等元素。Cr、Cu 对珠光体有稳定的作用，提高它们的含量可以增加珠光体的含量以及稳定性，细化珠光体片间距，从而提高灰铸铁的抗拉强度22。Cr 的增加会使白口化加重，但是 Cu 可以减少白口化，提高灰铸铁的铸造性能，因此在加入合金元素中一般 Cr、Cu 一同加入。Mo 是提高灰铸铁力学性能最有效的元素之一，但是 Mo 的价格比较昂贵一般较少使用。凝固过程中，Mo 在奥氏体中正偏析，其主要偏聚于凝固液面的前沿。Mo 的存在主要是在固态相变中发挥它的作用，Mo 在奥氏体中的扩散比较慢，这样对 C 在奥氏体中的扩散起到了抑制作用。Mo 的存在极大的降低了共晶反应的速度，细化珠光体；Mo 对抑制铁素体的形成上，作用不是很明显，这使得灰铸铁可能会产生铁素体。另外，Mo 在抗热疲劳和抗高温蠕变等方面是最有效的合金元素之一。Cu也是灰铸铁中最常见的合金元素之一，主要原因是由于Cu强化效果好，但不增加铁水的白口倾向。尽管单独加入Cu也能提高灰铸铁的强度，但其作用没有Cr明显。大多数情况下，Cu常和合金元素Cr一起使用。Cu加到铁液中主要产生两方面的作用。一方面Cu也是一种稳定珠光体的元素，因此，Cu的加入可以起到增加和稳定基体中珠光体组织的作用；另一方面，铜又是一种促进石墨化的元素，可以抵消铬元素增大白口的倾向。Cr是球铁的重要元素，少量Cr能熔于奥氏体基体，有利于稳定奥氏体，并因Ni与Cr的综合作用获得更好的耐热性和耐蚀性。但Cr是强碳化物形成元素，形成的铬合金碳化物分布在晶间，会影响切削性能，降低伸长率和冲击值。Cr应控制在标准下限。球铁中一般选用低的Mn含量，因既不需要用Mn来平衡S量，也可避免因Mn的偏析而生成硬化组织，在高镍球铁中，则w（Mn）也应控制在标准下限23。 合金元素提高灰铸铁抗拉强度的主要机理表现在: 细化石墨和共晶团,如Cu、Ni、Mn、Cr、Sn等； 增加珠光体的含量,如Sn、Sb、Cu、Cr等；并细化珠光体片间距离,如Mo、V等； 提高铸铁耐热性,避免受热分解而降低其使用性能,如Mo、W、Cr、V等; 生成碳化物或含有合金元素的高度弥散的硬化相提高抗磨性能,如Cr、Mo、Cu、B等。1.4.6孕育处理近年来我国国内对高强度灰铸铁的孕育剂选择和孕育工艺较为重视，在工厂要选择合适的化学成分、生产高质量的铁液,也必须选择合适的孕育剂、进行有效的孕育处理,采取先进且有效的铸造工艺才能获得高品质、高强度的灰铸铁。孕育即是在浇注前或浇注过程中通过向金属液中加入少量的某种物质,以脱氧脱氮促进石墨形核、降低白口倾向或过冷度、促进石墨化、控制铸铁的石墨生长、改善石墨形态和分布,同时细化共晶团、细化基体组织以及降低断面敏感性(即在厚大断面处增加珠光体量,在薄壁处减少白口倾向),以及在基本不改变碳当量条件下降低白口倾向以求获得良好的机械性能。这就是用低碳当量铁水和石墨化孕育剂生产高强度灰铸铁的方法24。上述几点作用之间并没有什么确定的关系,不同的孕育剂和处理方法对它们的影响差异很大。例如,抑制白口的能力和细化共晶团的能力各不相同。以锶硅铁与硅钙相比,前者抑制白口能力强,但是共晶团数量增加不多；后者抑制白口能力稍差,但是却可以显著地增加共晶团数量。以促进石墨化为目的而加入的合金物质，通常是硅铁以及含有其它稀土、碱土金属元素的复合硅铁，被称为硅系孕育剂。硅系孕育剂为主要的石墨化孕育剂。1.5正交实验概念及原理1.5.1正交实验设计的基本概念 正交实验设计是利用正交表来安排与分析因素实验的一种设计方法。它是由实验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行实验的，通过对这部分实验结果的分析了解全面实验的情况，找出最优的水平组合。正交实验设计的基本特点是：用部分实验来代替全面实验，通过对部分实验结果的分析，了解全面实验的情况。正因为正交实验室用部分实验那样对各因素效应、交互作用一一分析;当交互作用存在时，有可能出现交互作用的混杂。虽然正交实验设计有上述不足，但它能通过部分实验找到最优水平组合，因而很受实际工作者青睐。1.5.2正交实验设计的基本原理 在实验安排中，每个因素在研究的范围内选几个水平，就好比在选优区内打上网格，如果网上的每个点都做实验，就是全面实验。 1.6 本课题的研究意义与内容1.6.1研究意义迄今为止，柴油机缸盖的选用材料是灰铸铁。因此人们必须关注的是灰铸铁材质，开展对灰铸铁进一步提高强度的可能性进行研究。长期以来，对高强度灰铸铁的凝固过程、孕育变质处理和合金元素对灰铸铁组织与性能的影响已进行了大量、系统地研究。然而，研究所用的高强度灰铸铁（b300MPa) 为了保证其具有高强度，碳当量一般均在4.0%左右。而低碳当量灰铸铁的白口倾向、热裂倾向及收缩倾向比较严重，同时加工性能较差。高碳当量灰铸铁一般是指碳当量在共晶点附近的一类铸铁。此类铸铁具有良好的铸造性能、良好的减振性、良好的耐磨性能、良好的切削加工性能、低的缺口敏感性。同时，与其它合金相比具有熔点低、充型性好、加工性好、生产设施和成型过程简单以及成本低廉的优越性。因此，系统的研究这类合金的组织性能有重要意义。1.6.2研究内容 （1） 通过正交实验（四因素三水平）设计优化微合金化元素的最佳加入量； （2） 研究高碳当量高强度灰铸铁的抗拉强度、延伸率和硬度； （3） 高碳当量高强度灰铸铁的金相组织和扫描断口分析。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）2 实验条件及方法2.1实验原料 原材料直接影响灰铸铁铸件的质量和生产过程的稳定性。为了控制微量元素的含量，以稳定废钢的成分,要选用普通碳素钢和优质碳素钢的边角料,尽量不选用成分不明的合金钢边角料。锈蚀、潮湿严重的废钢，使铁液含氧量增加，将加大碳的熔炼损耗。由于本实验采用酸性中频感应电炉进行熔炼，冶金性能较差，对原材料要求更高,应尽量保证原材料干净、无锈、无杂质等。因此,废钢应选用锈蚀轻微、成分明确的普通碳素钢和优质碳素钢的边角料。 生产高牌号的灰铸铁件，基体组织的控制尤为重要。选择适宜的化学成分和生产工艺是控制基体组织的首要因素。通常，仅选择适宜的碳当量、硅碳比和通过孕育、变质手段来控制铸铁的基体组织，但往往不能获得所需要的组织，强度和硬度达不到零件的要求。合金化是提高灰铸铁性能的重要途径,本实验选用Cr、Mo、Cu、Ni作为合金元素加入铁液中，通过控制不同元素的加入和加入量来实验，目的是提高灰铸铁的强度，运用于柴油机缸盖。实验原料详见表2.1。 表2.1实验原料 序号 名称 C Si Mn S P Mo Cr Cu Ni 1 生铁 4.13 0.89 0.15 2 废钢 0.45 0.30 0.5 3 补硅 75 4 孕育剂 75 5 Mn-Fe 0.8 6 Mo-Fe 55 7 Cr 100 8 Cu 100 9 Ni 1002.2正交试验为了研究Cr，Mo，Ni,Cu四种元素对柴油机缸盖用高强度灰铸铁材料的力学性能的影响规律，确定最佳的合金成分。运用正交表进行了三水平四因素正西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）交试验。正交试验因素及水平详见表2.2。正交试验结束后，对实验结果进行极差分析。通过极差分析可以综合各因素对目标性能所起的作用大小，各因素之间以及各因素的水平之间的相互关系，从而对合金成分进行优化。2.2正交试验因素及水平 水平因素CrMoNiCu 10.10.20.40.4 20.30.40.60.6 30.50.60.80.82.3实验合金2.3.1化学成分 本实验通过加入不同的合金元素及加入量来提高灰铸铁的强度，因此，本实验设计了9组实验组，9组实验基本成分相同。其原料成分配料比见表2.3所示。生铁废钢的总重平均控制在8.5-9kg内进行配料。表如下：表2.3原料成分配料比名称 生铁 废钢 孕育剂 补硅 百分比 76% 24% 0.4% 0.9861%2.3.2合金元素 表2.4为实验合金成分。根据正交实验方法，设计了4种元素的加入配比, 通过正交实验可以得到最佳的元素加入量，让实验得到最好的结果。实验合金成分详见表2.4。表2.4实验合金成分序号 CE C Si Cr Mo Ni Cu 1 4.0 3.4 1.8 0.1 0.4 0.4 0.4 2 4.0 3.4 1.8 0.1 0.6 0.6 0.6 3 4.0 3.4 1.8 0.1 0.8 0.8 0.8 4 4.0 3.4 1.8 0.3 0.8 0.8 0.6 5 4.0 3.4 1.8 0.3 0.4 0.4 0.8 6 4.0 3.4 1.8 0.3 0.6 0.6 0.4续表2.4实验合金成分 序号 CE C Si Cr Mo Ni Cu 7 4.0 3.4 1.8 0.5 0.6 0.6 0.8 8 4.0 3.4 1.8 0.5 0.8 0.8 0.4 9 4.0 3.4 1.8 0.5 0.4 0.4 0.62.4造型和工艺图2-1为试样的铸型。把彭润土、细沙、水按一定比例加入辗转式混砂机种混匀。采用6层箱造型，浇出3根试棒成三角形排列，浇口在最上面沙箱三根试棒的中间，分流往各浇道流动。 图2-1试样铸型 2.5熔炼及浇注熔炼在10kg 中频感应电炉中进行，孕育处理采用包底冲入法。采用75SiFe 作为孕育剂。实验过程中每炉次孕育剂的加入量保持不变，孕育剂的加入量为0.8%。熔炼时用红外测温仪测温，各组试验都是按照生铁、废钢的顺序放入熔化，随后加入各种添加剂和合金元素。当温度达到1430一1450时保温、出炉、倒包浇包内孕育及变质、静置，约1350浇注30mmx300mm机械性能试棒。2.6试样加工2.6.1抗拉试样加工 图2-2是抗拉式样尺寸图。将30mm浇注试棒加工成抗拉试样。根据GB/T228一2002设计的灰铸铁室温拉伸试验的抗拉试样，具体尺寸如图2-2所示。图 2-2 抗拉试样尺寸/mm2.6.2其他试样的加工 在锯床上将浇注试棒上选取合理位置后，截取金相试样。抗拉试样在进行拉伸试验之后，用钢锯将其断口锯下，断口部分进行保存，备以后的断口分析实验，剩余部分锯成圆柱形的金相试样和硬度检验试样。2.7性能测试2.7.1硬度测试 硬度实验在HB3000型布氏硬度计上进行，压头为5mm的钢球，保压时间为15s，载荷为750kgf。在每个硬度试样上取6个点，测试其布氏硬度并求平均值。2.7.2抗拉强度测试抗拉强度测试试验是在CMT5105A型电子万能材料试验机上进行的，测得抗拉强度值并计算出延伸率，试验数据均为3根试样测定的平均值。室温拉伸试样用砂型浇注得到，尺寸如图2-2所示。拉伸速率均为5mm/min。延伸率的测定均按l0=5d0进行标距，之后按照公式(2.1)计算得到。 (2.1)式中：为伸长率/%，l为拉伸后距离/mm，l0为标距/mm。2.8高碳当量高强灰铸铁的金相组织和断口分析2.8.1金相分析选取部分数据较优的试棒，经砂纸粗磨、细磨、抛光、腐蚀（4%硝酸酒精腐蚀）后用采用晶相显微镜进行金相显微分析。 （1） 分析碳形态，大小，分布情况。 （2） 分析组织中珠光体，铁素体比例多少。2.8.2 SEM断口分析在拉伸性能测试后的试样上，取10mm左右长的断口试样，在砂纸上将其切割磨平，将断口试样放入酒精中用超声波清洗机SY5200-D清洗10分钟左右除去污渍，吹干后将其妥善保管，防止碰撞、划伤和污染，随后在扫描电子显微镜（FEI QUANTA 400F型）下观察断口形貌特征，分析其断裂特点。所用扫描电子显微镜如图2-3所示。 图2-3 FEI QUANTA 400F型扫描电镜西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）3 实验结果分析3.1正交实验3.1.1室温力学性能正交试验结果分析 表3.1是室温力学性能正交试验的结果分析。正交试验结果见表3.1。表3.2、表3.3，表3.4中各因素分别为因素1水平下的抗拉强度、延伸率、硬度数值的和，为因素2水平下的抗拉强度、延伸率、硬度数值之和，为因素3水平下的抗拉强度、延伸率、硬度数值之和。图3-1，图3-2和图3-3分别为因子水平对抗拉强度、延伸率、硬度的影响。极差R为、和中最大值和最小值差值的绝对值。极差值越大，说明该因子对性能指标的影响也就越大。表3.1室温力学性能正交试验结果分析序号因素室温CrMoNiCub/MPa5/%硬度11(0.1)1(0.2)1(0.4 )1(0.4)231.670.66237.921(0.1)2(0.4)2(0.6)2(0.6)2950.3220.331(0.1)3(0.6)3(0.8)3(0.8) 292.50.29199.342(0.3)1(0.2)2(0.6)3(0.8)3150.87228.052(0.3)2(0.4)3(0.8)1(0.4) 291.670.68213.662(0.3)3(0.6)1(0.4)2(0.6) 2800.52232.573(0.5)1(0.2)3(0.8)2(0.6) 271.670.73206.683(0.5)2(0.4)1(0.4)1(0.4) 3850.55235.493(0.5)3(0.6)2(0.6)3(0.8) 2950.68253.8 由表3.2各因素的极差值Rb 可知：对合金室温抗拉强度的影响顺序为主次因素MoCrCuNi（wt）。Mo和Cr是影响室温抗拉强度的主要因素，Mo的室温抗拉强度极差值Rb为153.33，对合金室温抗拉强度影响最大，Ni的室温抗拉强度极差Rb为49.16，对合金室温抗拉强度影响是四种因素中最小。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）表3.2抗拉强度极差分析极差抗拉强度b/MPaCrMoNiCu819.17818.34896.67908.34886.67971.67905846.67951.67867.5855.84902.5R132.5153.3349.1661.67较优水平(3)(3)(2)(1)因子主次2143 各因子水平的变化对合金室温抗拉强度的影响如图3-1所示。由图可知，随着Cr含量的增加，合金室温抗拉强度呈升高趋势；Mo含量的增加对室温抗拉强度的影响是呈先升后降趋势，Cu含量对室温抗拉强度呈先下降后上升的趋势；随着Ni含量的增加，合金室温抗拉强度平稳后下降。 因此，对室温抗拉强度而言，其最优水平为：Cr（3）Mo（3）Ni（2）Cu（2），0.5wtCr， 0.6wtMo，0.6wtNi，0.6wtCu。图3-1 因子水平的变化对合金室温抗拉强度的影响表3.3为延伸率极差分析表。由表3.4各因素的极差值 R5可知：对合金室温延伸率的影响顺序为主次因素CrMoCuNi(Wt)，Cr对合金的室温延伸率极差R5 为0.82，对室温延伸率的影响是最大的，Ni对合金的室温延伸率极差R5 为0.15，对合金室温延伸率影响是四因素中最小的。表3.3延伸率极差分析极差延伸率5/%CrMoNiCu1.252.261.731.892.071.531.851.551.96 1.491.71.84R0.820.770.150.34较优水平(2)(1)(2)(1)因子主次12 43 各因子水平的变化对合金室温延伸率的影响如图3-2所示。由图可知，随着Mo含量的增加，合金室温延伸率呈下降的趋势后逐渐趋于稳定；Cr含量的增加对室温延伸率的影响则呈先上升后下降的趋势，Ni含量对室温延伸率呈现先下降后上升的趋势，但幅度不大，Cu含量对室温延伸率呈现先下降后上升的趋势。因此，对室温延伸率而言，其最优水平为：Cr（2）Mo（1）Ni（2）Cu（1），0.3wtCr， 0.2wtMo，0.6wtNi，0.4wtCu。图3-2 因子水平的变化对合金室温延伸率的影响 由表3.4各因素的硬度极差值可知：对合金室温硬度的影响顺序为主次NiCrCuMo(Wt)，Ni对合金的室温硬度极差值为86.3，对室温硬度的是最大的，Mo对合金的室温硬度极差值为16.3，对室温硬度的是最小的。表3.4硬度极差分析极差硬度/HBWCrMoNiCu657.5672.5705.8686.9674.1669.3702.1659.4695.8685.6619.5681.1R38.316.386.327.5较优水平（3）（3）（1）（1）因子主次2413 各因子水平的变化对合金室温硬度的影响如图3-3所示。由图可知，随着Cu含量的增加，合金室温硬度呈下降的趋势后略有回升后逐渐趋于稳定；Mo含量的增加对室温硬度则呈先稳定后上升的趋势；随着Cr含量增加，合金室温硬度先上升后趋于稳定；Ni含量的的增加对室温硬度呈先缓慢上升后快速下降。因此，对室温硬度而言，其最优水平为：Cr（3）Mo（3）Ni（1）Cu（1），0.5wtCr，0.6wtMo，0.4wtNi，0.4wtCu。 图3-3 因子水平的变化对合金室温硬度的影响综上所述：考虑到合金的综合室温力学性能，选取合金的最优水平为：Cr（3）Mo（2)Ni（2）Cu（1）；0.5wtCr，0.4wtMo，0.6wtNi，0.4wtCu。3.2高强灰铸铁的显微组织的分析3.2.1 石墨等级及类型分析 a 石墨等级 我国灰铸铁金相标准GB/T7216-1987中规定石墨长度分为8级，1级石墨长度大于100mm，2级石墨长度在50mm100mm之间，3级石墨长度在25mm50mm，4级石墨长度在1225mm之间，5级石墨长度在612mm之间，6级石墨长度在36mm之间，7级石墨长度在1.53mm之间，8级石墨长度小于1.5mm。 b 石墨类型 根据国标，将石墨划分为6种类型：均匀分布的片状A型石墨、菊花状的B型石墨、块片状的C型石墨、枝晶点状的D型石墨、枝品片状的E型石墨和星状的F型石墨。 c 石墨分析 主要研究石墨的分布情况以及石墨的形态，再就是进一步来研究石墨的形核能力了，石墨形核能力如果越强，石墨的数量就会越多，这样就是达到细化石墨的目的，使石墨的分布更加均匀,这有助于提高材料各方面的性能。石墨形态对高强灰铸铁的抗拉强度有很大的影响。石墨越弯曲，石墨端部角度越钝，抗拉强度越好。图3-4是高强灰铸铁腐蚀前100倍的金相组织。 （a）高强灰铁-1 （b）高强灰铁-4 （c）高强灰铁-6 （d）高强灰铁-7 图3-4 高强灰铸铁腐蚀前100倍的金相组 从图3-4可以看出石墨均为A型石墨，高强灰铁4出现了E型石墨，少数石墨较细，片状石墨形态各异，分布比较均匀，石墨弯曲程度稍大一些，抗拉强度也在一般水平偏上。 表3.5是石墨分析表。根据9组实验金相图，每组选取3张100倍的金相照片，在每张照片内选取5条最长的石墨并测量其长度，求石墨长度范围，如表3.5。表3.5石墨分析表序号 石墨长度范围（mm） 石墨等级石墨类型 1 14.024.0 4A 2 12.020.0 4 A 3 8.021.0 4,5A 4 9.019.0 4,5A，E 5 9.020.0 4,5A 6 10.022.0 4,5A 7 8.020.0 4,5A 8 12.024.0 4A 9 10.023.0 4,5A3.2.2高强灰铸铁基体组织金相分析 （a）高强灰铁1 （b）高强灰铁2 （c）高强灰铁6 （d）高强灰铁9 图3-5腐蚀后的加入不同合金元素量的高强灰铸铁在100倍下的金相组织 图3-5为经抛光后用4%硝酸酒精溶液浸蚀的高强灰铸铁在铸态下的基体组织，放大倍数为100倍,检验珠光体P的数量；参照GB/T 72162009灰铸铁金相检验标准中珠光体数量评级部分进行基体分级评定；其中石墨周围的白色部分为铁素体F，灰色及深灰色的成片区域为珠光体P，铁素体的强度、硬度不高、但具有良好的塑性和韧性。而珠光体是铁素体与渗碳体的混合物，力学性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好。从图3-5中能够观察到基体主要为珠光体和铁素体，参照GB/T 72162009灰铸铁铁金相检验标准图中珠光体的量大都在75%以上。Cu和Cr都具有稳定珠光体的作用，Cr和Mo除了能提高灰铸铁中珠光体的百分率外，还可提高灰铸铁的抗热疲劳性能，Ni有稳定奥氏体降白口倾向的作用。 （a）高强灰铁1 （b）高强灰铁2 （c）高强灰铁6 （d）高强灰铁9 图3-6 腐蚀后加入不同合金元素量的高强灰铸铁在500倍下的金相组织图3-6为用4%硝酸酒精溶液浸蚀后高强灰铸铁在500倍下基体组织，基体主要为珠光体和铁素体。从中可以进一步看出，片状石墨有的位于铁素体晶界处，有的深入晶粒内部，且同一石墨弯曲程度、粗细程度不同，绝大部分石墨的端部尖凸。从图中能看到，片状石墨和铁素体被珠光体所包围，且部分石墨完全分布于珠光体中。灰铸铁的形貌是多样的，但是石墨的结构形式与片状石墨类似。从图3-6这四组图片中大部分珠光体中含有索氏体型珠光体和细片状珠光体。其中片层间距越小，珠光体强度、硬度越高。综上所述， Mo能细化珠光体，减少铁素体数量。Cu可以稳定和强化铁素体，从而影响基体组织，改变力学性能。3.3拉伸试棒的断口分析选取力学性能比较好的几组拉伸试样的断口进行进行SEM扫描。通过对图片的观察可以知道，铸铁的拉伸断裂中主要由纤维区和放射区组成，这是由于铸
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