材料的结构组织与性能5

1、材料的结构组织与性能（五）（五） 材料学院材料学院 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等铸铁的特点铸铁的特点 铸铁（铸铁（cast iron）是含碳量大于是含碳量大于2.11的铁碳合金。的铁碳合金。在工业生产中，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。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、硫含与钢在化学成分上的主要区别是前者的碳、硅以及杂质元

2、素磷、硫含量较高。量较高。铸铁的生产成本较低、并且有如下许多优良的性能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，优良的减振性， 较高的耐磨性、较高的耐磨性、 极好的铸造工艺性和切削加工性。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。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、按质量比统计，汽车、拖拉机中，铸铁用量占拖拉机中，铸铁用量占5070，在机床中占，在机床中占6090，近几十近几十年来，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

3、墨铸铁已代替部分铸钢或合金钢，用来制有了很大的提高。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。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。铸铁的性能铸铁的性能化学成分化学成分碳的存在形式碳的存在形式基体类型基体类型石墨的形态、数量、大小及空间分布石墨的形态、数量、大小及空间分布石墨石墨渗碳体渗碳体 渗碳体具有复杂的晶体结构，而石墨的强度、硬度、塑渗碳体具有复杂的晶体结构，而石墨的强度、硬度、塑性

4、都很低，在铸铁中可视为空洞，与渗碳体的性能相去甚远性都很低，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。因此，碳在铸铁中是以化合态的Fe3C形式存在还是以游离形式存在还是以游离态的态的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。会产生重大影响。铸铁的石墨化铸铁的石墨化 铸铁的石墨化铸铁的石墨化（graphitization ）是指铸铁中石是指铸铁中石墨的形成过程墨的形成过程。 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：晶析出分

5、为三个阶段：第一阶段石墨化第一阶段石墨化： 过共晶成分的铁水过共晶成分的铁水从液相中结晶出一次石从液相中结晶出一次石墨墨；共晶和亚共晶成分的铁水在共晶和亚共晶成分的铁水在1154共晶反应时形成共晶共晶反应时形成共晶石墨，石墨，叫第一阶段石墨化。叫第一阶段石墨化。第二阶段石墨化：第二阶段石墨化： 在在1154738的温度范围内，的温度范围内，奥氏体中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的过程叫第二阶段石墨化。第二阶段石墨化。第三阶段石墨化：第三阶段石墨化： 奥氏体在奥氏体在738发生发生共析转变形成共析石共析转变形成共析石墨墨的

6、过程叫第三阶段石墨化。的过程叫第三阶段石墨化。影响石墨化的主要因素影响石墨化的主要因素1. 工艺条件工艺条件：在工艺条件中以冷却速度：在工艺条件中以冷却速度的影响最为强烈。的影响最为强烈。 冷速越慢越易获得冷速越慢越易获得石墨。石墨。2. 化学成分化学成分：促进石墨化的元素有：促进石墨化的元素有C、Si、Al、Cu、Ni、Co等，阻止石墨化的元等，阻止石墨化的元素有素有Cr、W、Mo、V、Mn、S等等 C+Si（%）7.06.06.55.54.04.55.00 10 20 30 40 50 60 70壁壁 厚厚 （mm）154321PFe3C； 2 PFe3CG；3PG；4P+F+G；5F+G

7、碳、硅含量和冷却速度对铸铁组织的影响碳、硅含量和冷却速度对铸铁组织的影响灰铸铁灰铸铁 灰铸铁（灰铸铁（gray cast-iron）是一种断面呈深灰色，石墨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。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：灰铸铁的特性： 1.优良的铸造性能优良的铸造性能 灰铸铁的熔点较低，容易熔炼，流动性好，可浇铸成形灰铸铁的熔点较低，容易熔炼，

8、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。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

9、态；由于石墨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。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

10、塑性都很低。所以灰铸铁不能用来制造在拉应成应力集中，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。典型的脆性材料，所以不适合

11、制造在冲击载荷作用下服役的零件。 4.物理化学性能物理化学性能 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，铁成分中含有较高的硅有关，球状石墨铸铁球状石墨铸铁 球状石墨铸铁球状石墨铸铁(spheroidal graphite iron)是指石墨形状为球形的是指石墨形状为球形的铸铁（铸铁（见图见图）。）。球状石墨对基体的割裂和应力集中作用都降到了最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

12、获得各种基体组织，使球墨铸铁在力学性能方面有较大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。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，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，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。球墨铸铁不仅强度接近钢的水平，而且

13、屈强比比钢高得多。与此同时，球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。量用来制造曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、蜗轮、轧辊等。牛牛眼眼状状球球墨墨铸铸铁铁中锰耐磨球墨铸铁（奥氏体条块状碳化物

14、球状石墨）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（球墨铸铁铁素体珠光体延性铸铁（球墨铸铁珠光体球墨铸铁珠光体球墨铸铁铁素体球墨铸铁铁素体球墨铸铁球墨铸铁的特点球墨铸铁的特点: : 1、化学成分的特点之一是、化学成分的特点之一是碳硅含量高碳硅含量高，这样可使其，这样可使其成分接近共晶点，从而提高铁水的流动性。成分接近共晶点，从而提高铁水的流动性。镁是主要的球镁是主要的球化元素，同时也是强烈的反石墨化元素化元素，同时也是强烈的反石墨化元素；较高的硅含量可；较高的硅含量可有效抑制镁引起的白口倾向；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球墨铸铁化学成分的

15、第二个特点是低磷、低硫低磷、低硫； 2、石墨的球化使得改善基体组织有了意义，因此球、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、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；正火、调质、等温淬火等； 3、具有较高的强韧性，是当前、具有较高的强韧性，是当前“以铸代煅以铸代煅”的重要的重要材料；材料；图图9.5 各类球墨铸铁铸件各类球墨铸铁铸件可锻铸铁可锻铸铁 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（得到的铸铁叫可锻铸铁（du

16、ctile cast iron）,可锻铸铁的石墨形态可锻铸铁的石墨形态见图见图。 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

17、状复杂的管件，如管接头、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。成本随之降低，所以可锻铸铁是一种重要的铸铁品种。铁铁 素素 体体 可可 锻锻 鑄鑄 鐵鐵 石石 墨墨 形形 態態团絮状团絮状G G图图9.7 可锻铸铁铸件可锻铸铁铸件蠕蠕 墨墨 铸铸 铁铁 石墨呈蠕虫状的铸铁叫石墨呈蠕虫状的铸铁叫蠕墨铸铁蠕墨铸铁（vermicular cast iron）。蠕虫状石蠕虫状石墨的形态介于球状与片状之间，在光学显微

18、镜下呈短杆状（墨的形态介于球状与片状之间，在光学显微镜下呈短杆状（见图见图），与），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。镁钛合金等。 蠕墨铸铁的性能特点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，有是：强度及塑性高于灰铸铁但低于球墨铸

19、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。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，如比完全球化还难，为此还要加入球化阻碍元素，如Ti等。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。疲劳的零件

20、。 蠕虫状石墨蠕虫状石墨蠕虫状石墨三维图象蠕虫状石墨三维图象图图9.10 蠕墨铸铁件蠕墨铸铁件石墨形态与性能的关系石墨形态与性能的关系塑性、强度、韧性塑性、强度、韧性钢中的非金属夹杂物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合物外，还有如下图所示的形态 非金属夹杂物非金属夹杂物通常指不具有金属性质的氧化物、硫化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：钢中的非金属夹杂物的来源： (1)脱氧、脱硫

21、产物。特别是一些比重大的产物没有及脱氧、脱硫产物。特别是一些比重大的产物没有及时排除时排除 (2)随着钢液温度降低，硫、氧、氮等杂质元素的溶解随着钢液温度降低，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物在钢中沉淀 (3)带入钢液中的炉渣，熔渣或耐火材料带入钢液中的炉渣，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为外来夹杂物非金属夹杂物对钢性能的影响非金属

22、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韧性的影响 非金属夹杂物对钢的韧性有明显的影响，其非金属夹杂物对钢的韧性有明显的影响，其原因为：原因为： 1、使钢的塑性明显下降；、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、夹杂物与钢的基体易于分离，形成微裂纹，使钢发生早期断裂纹，使钢发生早期断裂硫硫化化锰锰夹夹杂杂与与基基体体脱脱离离并并断断裂裂的的例例子子 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程，由此可推测