灰铸铁铁水成分与金相组织、力学性能之间的关系
灰铸铁的力学性能和物理性能、硬度和抗拉强度之间的关系、本体抗拉强度、硬度和截面厚度的关系
附录C（资料性）灰铸铁的力学性能和物理性能C.1 灰铸铁的力学性能灰铸铁的力学性能见表C.1。
表C.1Φ30mm单铸试棒力学性能C.2 灰铸铁的物理性能灰铸铁的物理性能见表C.2。
表C.2Φ30mm单铸试棒的物理性能附录D（资料性）灰铸铁硬度和抗拉强度之间的关系D.1 一般要求灰铸铁硬度和抗拉强度、弹性模量和刚度模量，相互之间存在联系。
在多数情况下，其中一个性能值的增加会导致其他性能值的增加。
不同牌号灰铸铁具有不同的相对硬度(RH)或拉伸强度和硬度比(T/H)。
本附录简要介绍了灰铸铁的相对硬度以及抗拉强度和硬度比T/H。
D.2 相对硬度布氏硬度(HBW)与抗拉强度R m之间的经验关系式如下：H B = H R × (A + B ×R m)式中：H B——布氏硬度，单位HBW；H R——相对硬度；R m——抗拉强度，单位MPa。
通常式中的常量值为：——A=100——B=0.44相对硬度变化范围为0.8～1.2(见图D.1)。
相对硬度主要受原材料、熔化工艺、冶金方法的影响。
对铸造企业而言，这些影响因素几乎可以保持常数，因此可以测定出硬度及与其抗拉强度的对应关系。
引导序号说明：H B——布氏硬度，单位HBW；H R——相对硬度；R m——抗拉强度，单位MPa。
图D.1灰铸铁相对硬度与硬度、抗拉强度之间的关系D.3 抗拉强度和硬度比共晶石墨含量与抗拉强度和硬度比(T/H)的关系见图B.2，抗拉强度和硬度比(T/H)在0.8-1.4之间波动。
注:布氏硬度与抗拉强度可通过公式 MPa = HBW×9.80665转换，T/H比是一个常数，灰铸铁的T/H比范围约在0.082-0.143之间。
在共晶成分以上，CE增加，T/H比减少，但幅度很小。
图B.2中，T/H是常量，表示石墨对力学性能的影响。
石墨形态和基体组织对灰铸铁的力学性能有显著影响。
例如对铸件整体而言，抗拉强度和硬度之比接近常数。
灰铸铁材料的微观组织与力学性能研究
灰铸铁材料的微观组织与力学性能研究灰铸铁是一种常见的工程材料，具有较好的耐磨性和抗压性能。
在实际应用中，人们常常关注其微观组织和力学性能的研究，以便更好地了解和改善其性能。
首先，我们来讨论灰铸铁的微观组织。
灰铸铁是一种铁碳合金材料，其主要成分是铸铁和石墨。
石墨以片状或球状分布在铸铁基体中，形成了典型的珠光体结构。
这种结构使得灰铸铁具有良好的抗震性和吸能能力。
此外，灰铸铁中的碳含量较高，一般在2%-4%之间，也会对其微观组织产生影响。
高碳含量会导致珠光体结构的改变，使灰铸铁的硬度和脆性增加。
其次，我们来研究灰铸铁的力学性能。
在传统的研究中，人们普遍关注灰铸铁的抗压性能。
抗压强度是评价灰铸铁力学性能的重要指标之一。
灰铸铁的珠光体结构和石墨形态对抗压强度有着重要影响。
例如，片状石墨比球状石墨对力学性能的影响更大。
此外，微观组织中各组分的相互作用和分布也会对力学性能产生影响。
例如，珠光体与渗碳体的分布、石墨与基体的结合强度等因素都会影响抗压性能。
除了抗压性能，灰铸铁的拉伸性能也是研究的热点之一。
拉伸强度和断裂延伸率是评价灰铸铁拉伸性能的两个重要指标。
与抗压性能类似，石墨形态和珠光体结构都与拉伸性能密切相关。
在拉伸过程中，珠光体的裂纹扩展路径、石墨的断裂模式等也会对拉伸性能产生影响。
此外，灰铸铁中的夹杂物也是影响其拉伸性能的重要因素之一。
夹杂物的形状、分布和数量会显著影响灰铸铁的强度和韧性。
近年来，随着材料科学的发展，人们开始探索灰铸铁的其他力学性能。
例如，疲劳性能是评价材料抗循环载荷能力的重要指标之一。
灰铸铁的疲劳性能受到其微观组织和缺陷的影响。
研究表明，珠光体内部的细小裂纹和夹杂物会成为疲劳断裂的起始点。
因此，在工程应用中，我们需要考虑珠光体结构和夹杂物的数量和质量，以提高灰铸铁的疲劳寿命。
总之，灰铸铁材料的微观组织与力学性能是一个复杂的系统。
人们通过对其微观组织和力学性能的研究，可以更好地了解灰铸铁材料的特性，并为其在工程应用中的性能改进提供依据。
灰铸铁材质解析报告
灰铸铁材质解析报告灰铸铁材质主要是由它的结晶组织所决定的，所以要控制其金相组织，并熟悉金相与性能两者的关系。
从灰铸铁的金相组织图片可以看出，灰铸铁是在金属基体上分布着大量的片状石墨，可知灰铸铁金相组织包括石墨和金属基体两部分。
石墨本身一是比重小（2.25），只有铁的三分之一，所以在铸铁中占的体积较大，如百分之三的石墨碳就能在铸铁中占有百分之十的体积；另一特点是机械性能很低，据有关资料介绍抗拉强度不足20N/mm2 ，塑性几乎等于零，HB 大约为3左右。
由这两大特点，片状石墨在铸铁中对机械性能特别对强度是起决定性的作用，至此可知基体组织对灰铸铁力学性能的影响，远低不过石墨片的割裂作用，所以要控制铸铁的机械性能，应首先注意控制石墨。
灰铸铁的石墨主要以片状形态存在于基体中，石墨对基体的破坏作用一方面是由于它在铸铁中占有大的体积，因而减少了基体和承受负荷的有效断面积；更重要的方面是灰铸铁的石墨呈片状，基体中有许多类似尖锐缺口的石墨片，当承受负荷时，这些石墨边缘就出现强烈的应力集中。
虽然铸件所承受的负荷不很大，但在石墨边缘处的实际应力可能就已超过基体的屈服强度，因而使金属基体沿石墨边缘发生塑性变形，以至出现裂纹，造成损坏。
因而灰铸铁的抗拉强度很低，它的塑性则几乎等于零，为脆性材料。
片状石墨的分布，按国家标准图谱可分为A（片状）型石墨；B（菊花状）型石墨；C（块片状）型石墨；D（枝晶点状）型石墨；E（枝晶片状）型石墨；F（星状）型石墨六种。
A型石墨为无向性均匀分布的石墨，是灰铸铁中最常见的一种。
这种分布的石墨片在同一共晶团内是相互联系的，由中心向外呈辐射状，组成了具有弯曲分枝的石墨片簇，主要形成在共晶或接近共晶的亚共晶铸铁中，其结晶条件是过冷度较小。
因它的形成必须要求结晶时，石墨和奥氏体在铁水中能较“自由”的生长，过冷度较小则为每一个共晶石墨簇均匀“自由”的长大创造了条件，因而形成了这种无向性均匀分布的石墨。
灰铸铁的组织及性能
石墨 类型
D
形成条件
碳当量低，成核条件差，初析奥氏体 多，冷却速度快，过冷度大
碳当量较形成D型时更低，但冷却速 E 度慢，共晶凝固时液体数量已很少，
故呈方向性分布(取决于初析奥氏体)
F
过共晶成分，快冷时形成，如活塞中 常出现F型石墨
灰铸铁的金相组织及其对性能的影响
7.2.1 灰铸铁的组织及性能
内蒙古机电职业技术学院 机电工程系 数控1101班 王逸禄同学
指导教师：董香萍
灰铸铁的成分
成份：一般为Wc=2.5%～4.0%,Wsi=1.0%～ 3.0%,WMn=0.5%～1.4%,Ws≤0.15%,Wp≤0.30%。 组织：看成是碳钢的基体加片状石墨，分为三类：铁素 体基体、铁素体-珠光体基体、珠光体基体灰铸铁。
3. 铸造应力： 1〉热应力 铸件壁厚薄；
(P44)
2〉相变应力
3〉机械阻碍应力
4〉断面敏感性 （内外厚薄处结晶后的组织和性能差异）
灰铸铁的性能
工艺性能
(二)
切削性能(P45) 石墨对刀具的润滑和断屑作用 有游离渗碳体(白口)时差 合金元素V、Ti、B、Cr、P 硬化相
工艺性能
灰铸铁的性能
(二) 焊补性能 ① 易形成渗碳体； ② 易产生裂纹； ③ 产生新的渣孔、气孔。
元素
存在形式
碳 以化合碳存在量小于0.80%。其余以石墨存在
硅 固溶于铁素体中
锰 少量固溶于铁素体。大部分溶于共析碳化物和渗碳体中，以(Fe,Mn)3C合金渗碳体 形式存在
磷 少量固溶于铁素体，其固溶量随碳当量增加和冷却速度降低而减少。主要以二元、 三元磷共晶和磷共晶-碳化物复合物形式存在
第二章 灰铸铁
40
B——片状和点状石墨聚集成菊花状（蔷薇状） 较大过冷下结晶
和A型石墨比较，由于B型 石墨成团簇状分布，容易造成 石墨和基体各自集中分布的弱 点，故灰铸铁强度下降较A型 石墨的为多。
菊花状（B状）（100×）
41
B——片状和点状石墨聚集成菊花状（蔷薇状） 较大过冷下结晶
<15 15~30 30~50 >50
3.2~3.5 3.1~3.4 3.0~3.3 2.9~3.2
HT300
<15 15~30 30~50 >50
3.1~3.4 3.0~3.3 2.9~3.2 2.8~3.1
HT350
<15 15~30 30~50 >50
2.9~3.2 2.8~3.1 2.8~3.1 2.7~3.0
15
表二 灰铸铁件 （GB76- 67）
牌号
铸件主要壁 厚（mm）
式样毛坯直 径D（mm）
抗拉强度 σb≥
（N/mm2）
抗弯强度 σw≥
（N/mm2）
挠度≥ 支距=10D （mm ）
硬度HB≥
HT10-26 所有尺寸
30
100
260
2.0
143~229
4~8
13
8~15
20
HT15-33 15~30
和A型石墨比较，由于B型 石墨成团簇状分布，容易造成 石墨和基体各自集中分布的弱 点，故灰铸铁强度下降较A型石 墨的为多。
菊花状（B状）（100×）
42
C——部分石墨带尖角块状，粗大片状，初生石墨 过共晶成分，冷速小
C型石墨的特点是在A型石墨中分 布有很粗大的针片状和尖角块状石墨， 对基体的破坏性极大，导致力学性能 很差。形成C型石墨的原因是灰铸铁 的化学成分进入了过共晶范围。故一 般灰铸铁的化学成分都为亚共晶范围， 只有少量的为共晶成分。选择过共晶 成分的几乎没有。
灰铸铁中各元素作用
灰铸铁中各元素作用1、碳、硅碳、硅都是强烈地促进石墨化的元素，可用碳当量来说明他们对灰铸铁金相组织和力学性能的影响。
提高碳当量促使石墨片变粗、数量增加，强度硬度下降。
相反降低碳当量可减少石墨数量、细化石墨、增加初析奥氏体枝晶数量，从而提高灰铸铁的力学性能。
但是降低碳当量会导致铸造性能下降。
2、锰：锰本身是稳定碳化物、阻碍石墨化的元素，在灰铸铁中具有稳定和细化珠光体作用，在Mn=O. 5%〜1%范围内，增加锰量，有利于强度、硬度的提高。
3、磷：铸铁中含磷量超过0.02%，就有可能出现晶间磷共晶。
磷在奥氏体中的溶解度很小，铸铁凝固时，磷基本上都留在液体中。
共晶凝固接近完成时，共晶团之间剩余的液相成分接近三元共晶成(Fe-2% C-7% P)。
此液相约在955C凝固。
铸铁凝固时，钼、铬、钨和钒都偏析于富磷的液相中，使磷共晶的量增多。
铸铁中含磷量高时，除磷共晶本身的有害作用外，还会使金属基体中所含的合金元素减少，从而减弱合金元素的作用。
磷共晶液体在凝固长大的共晶团周围呈糊状，凝固收缩很难得到补给，铸件出现缩松的倾向较大。
4、硫：降低铁液流动性，增加铸件热裂倾向，是铸件中的有害元素。
很多人认为硫含量越低越好，实则不然，当硫含量w 0. 05%时，此种铸铁对我们使用的普通孕育剂来说不起作用，原因是孕育衰退的很快，常常在铸件中产生白口。
5、铜：铜是生产灰铸铁最常加入的合金元素，主要原因是由于铜熔点低（1083C），易熔解，合金化效果好，铜的石墨化能力约为硅的1／5，因此能降低铸铁的白口倾向，同时铜也能降低奥氏体转变的临界温度，因此铜能促进珠光体的形成，增加珠光体的含量，同时能细化珠光体和强化珠光体及其中的铁素体，因而增加铸铁的硬度及强度。
但是并非铜量越高越好，铜的适宜加入量为0. 2%〜0. 4%当大量地加铜时，同时又加入锡和铬的做法对切削性能是有害的，它会促使基体组织中产生大量的索氏体组织。
6、铬：铬的合金化效果是非常强烈的，主要是因为加铬使铁水白口倾向增大，铸件易收缩，产生废品。
影响灰铸铁性能的因素
提高灰铁铸件机械性能的方法一、灰铸铁定义灰铸铁是指具有片状石墨的铸铁，因断裂时断口呈暗灰色，故称为灰铸铁。
主要成分是铁、碳、硅、锰、硫、磷，是应用最广的铸铁，其产量占铸铁总产量80%以上。
二、影响灰铸铁机械性能的因素对灰铸铁铸件机械性能和金相组织的影响主要有化学成分、铁水的孕育、炉料配比、铁水过热处理、高温铁水在炉内保温时间、铁液的冷却速度、铸件的开箱时间等因素都会对灰铁铸件机械性能产生影响。
三、影响机械性能的机理1、化学成分：（1）五大常规元素C、Si、Mn、P、S的影响：a、C、Si都是促进石墨化元素，CE=C+1/3（Si+P），石墨的强度极低，相对与铁来说可以看作没有，加上灰铸铁中石墨以片状形态存在，对基体的割裂作用很明显，所以提高CE促进石墨变粗，石墨数量增加，铸件的强度和硬度会下降；CE降低，石墨数量减少，会增加铸件白口倾向，石墨片细化，由于增加初析奥氏体枝晶，从而提高铸件的力学性能，但铸件的铸造性能会下降，铸件的断面敏感性增加，硬度增加。
b、Mn、S都是稳定碳化物、阻碍石墨化元素，Mn是扩大奥氏体区元素，提高铁液中的Mn含量可以有效的降低奥氏体转变温度，有利于珠光体的形成和稳定珠光体的作用，并且奥氏体在较低温度下转化为珠光体，所以减小了珠光体之间的间距，有细化珠光体的作用，故Mn可以提高灰铁铸件的抗拉强度。
两者同事存在时会生成MnS及S的化合物，呈粒状分布在基体中，成为石墨非自发性晶核，促进石墨的形成，如果Mn、S过量不但对改善铸件性能没有帮助，还会增加铸件夹渣的机率，从而降低铸件的机械性能。
c、P可以使共晶点左移，少量的P可以增加铸件的硬度，但由于P熔点低，铁液凝固是偏析到晶界，形成磷共晶，增加铸件的脆性，降低铸件的致命性。
（2）其他合金元素和微量元素的影响：a、Mn、Cu、Mo等元素都可以促进珠光体生成，细化珠光体，稳定珠光体的作用，故Mn、Cu、Mo也能提高灰铁铸件的强度。
b、Pb：在灰铸铁中，Pb含量过高会形成魏氏石墨，严重影响铸件的性能。
灰铸铁材质解析报告
灰铸铁材质解析报告灰铸铁材质主要是由它的结晶组织所决定的，所以要控制其金相组织，并熟悉金相与性能两者的关系。
从灰铸铁的金相组织图片可以看出，灰铸铁是在金属基体上分布着大量的片状石墨，可知灰铸铁金相组织包括石墨和金属基体两部分。
石墨本身一是比重小（2.25），只有铁的三分之一，所以在铸铁中占的体积较大，如百分之三的石墨碳就能在铸铁中占有百分之十的体积；另一特点是机械性能很低，据有关资料介绍抗拉强度不足20N/mm2 ，塑性几乎等于零，HB 大约为3左右。
由这两大特点，片状石墨在铸铁中对机械性能特别对强度是起决定性的作用，至此可知基体组织对灰铸铁力学性能的影响，远低不过石墨片的割裂作用，所以要控制铸铁的机械性能，应首先注意控制石墨。
灰铸铁的石墨主要以片状形态存在于基体中，石墨对基体的破坏作用一方面是由于它在铸铁中占有大的体积，因而减少了基体和承受负荷的有效断面积；更重要的方面是灰铸铁的石墨呈片状，基体中有许多类似尖锐缺口的石墨片，当承受负荷时，这些石墨边缘就出现强烈的应力集中。
虽然铸件所承受的负荷不很大，但在石墨边缘处的实际应力可能就已超过基体的屈服强度，因而使金属基体沿石墨边缘发生塑性变形，以至出现裂纹，造成损坏。
因而灰铸铁的抗拉强度很低，它的塑性则几乎等于零，为脆性材料。
片状石墨的分布，按国家标准图谱可分为A（片状）型石墨；B（菊花状）型石墨；C（块片状）型石墨；D（枝晶点状）型石墨；E（枝晶片状）型石墨；F（星状）型石墨六种。
A型石墨为无向性均匀分布的石墨，是灰铸铁中最常见的一种。
这种分布的石墨片在同一共晶团内是相互联系的，由中心向外呈辐射状，组成了具有弯曲分枝的石墨片簇，主要形成在共晶或接近共晶的亚共晶铸铁中，其结晶条件是过冷度较小。
因它的形成必须要求结晶时，石墨和奥氏体在铁水中能较“自由”的生长，过冷度较小则为每一个共晶石墨簇均匀“自由”的长大创造了条件，因而形成了这种无向性均匀分布的石墨。
灰铸铁金相分析要点
灰铸铁金相检验要点灰铸铁中的石墨是以两种不无异情势形成，一是由渗碳体的分化而形成，Fe3C→3Fe2+C石墨。
二是从液体或奥氏体中直接析出，当液体或奥氏体在比较接近于均衡的冷却前提下，则液体（或固溶体）就可比通常结晶温度（或相变点）略高的情况下（如在1130～1135℃和723～738℃）直接形成石墨。
一、金相试样的选取及制备1. 试样的选取通常是取自试块或挠曲棒上或取自铸件的自我或在铸件毛胚加工面上端30mm处切取或筒浇制活塞环可在每筒下端不大于铸件壁厚二倍的位置上切取。
2. 试样的制备将试样观察面在细砂轮上磨平，然后分几道砂纸磨制至抛光，清除试样磨面的划痕。
铸铁石墨不使其污染或拖曳。
3. 试样的抛光选用短毛纤维柔嫩的平绒、呢或丝绸。
抛光粉最好是具有细致尖利性。
经过细化加工处理的氧化铝，或常用的氧化铬、氧化铁。
在起始抛光时对抛光粉的浓度可以高些，这对防止石墨拖曳有好处。
抛光时用力要适中均衡，随时转动变换试样目标，将至完成时把抛光粉减薄，并用力减轻。
最后净水冲刷试样，再轻微抛光用干净丝绒擦干就可观察石墨，以观察试样无划痕，石墨呈灰暗为标准。
每个试样通常抛光5～6分钟即可。
4. 试样的腐蚀通常采用2～5％硝酸酒精溶液或4％苦味酸酒精溶液。
二、灰铸铁金相查验及评定方法石墨的类型，石墨的长度和数量、共晶石墨的节制，基体组织中的珠光体的分散度，铁素体含量，磷共晶的类型及分布特性和面积大小能力，渗碳体数量等。
可按GB/T 7216-1987，ASTM A247-06，ISO 945-75等标准查验。
三、灰铸铁的组织和机能1. 石墨的形态及辨认以两种不无异情势形成：由渗碳体的分化而形成，Fe3C→3Fe2+C石墨；由从液体或奥氏体中直接析出。
A型片状石墨无目标性均匀散布；B菊花状石墨中央以小片状与点状石墨向外伸展形呈菊花形分布；D型石墨（共晶石墨）又称树枝状石墨或称过冷石墨以点状与小片状石墨呈目标性枝晶分布；E型石墨以小片状石墨呈目标性枝晶分布；F型石墨呈星射状。
球墨铸铁中五元素对金相组织与机械性能的影响作用
球墨铸铁中五元素对金相组织与机械性能的影响作用一、碳元素——对金相组织与机械性能的影响1、当碳当量小于4.5~4.7%时，增加含碳量可提高镁的吸收率，有利于球化。
2、碳高铁水流动性好，凝固期间析出石墨最多，石墨化体积膨胀增加，补偿收缩增加铸件致密性，改善机械性能。
3、在共晶成分以上，增加含碳量易产生石墨漂浮，降低机械性能。
4、降低含碳量易产生游离渗碳体，使机械性能降低，脆性增加，同时增加缩孔，缩松等铸造缺陷。
二、硅元素——对金相组织与机械性能的影响1、硅是强烈的石墨元素，即使石墨结晶，又使渗碳体分解。
因此，提高含硅量，石墨球径减小，数量增加，形态圆整。
2、硅量增加，铁素体增加，珠光体减少，强度和硬度降低，塑性和韧性提高。
3、硅具有强化铁素体的作用，当含量大于3.3%时，脆性增加，塑性降低。
4、硅使共晶点向左上方移动，使凝固区间缩小，增加流动性，减少缩松。
三、锰元素——对金相组织与机械性能的影响1、锰降低共析转变温度，从而稳定并细化珠光体组织，在石墨化退回时，阻止珠光体的分解。
2、锰促使渗碳体形成，增加锰量可提高强度，降低塑性、韧性。
当组织中出现较多自由渗碳体时，除硬度外，其他性能均下降。
3、锰增加过冷奥氏体稳定性，使S曲线右移。
加入量为0.5%为宜。
四、磷元素——对金相组织与机械性能的影响1、磷在铁中具有一定的溶解度，超过此值在组织中出现二元或三元磷共晶，沿晶界分布，破坏了晶粒间的结合能力，因此使球铁的强度下降。
2、磷增加晶间缩松倾向，降低机械性能。
3、在热处理中，磷不阻碍共晶渗碳体的分解，而阻碍共析渗碳体的分解。
4、磷提高脆性转变温度范围，增大冷裂性。
5、随着磷含量增加，缩孔，缩松倾向增加。
五、硫元素——对金相组织与机械性能的影响1、硫与稀土、镁具有很强的结合能力，原铁液含硫高会消耗过多球化剂，而出现球化不良和球化衰退。
2、原铁水含硫量高，球化剂加入量大，处理后铁水温度低，铁水中夹杂物多，铁水表面氧化结膜温度高，铁水流动性差，容易使球铁产生夹渣、皮下气孔等缺陷。
影响灰铸铁性能的因素
提高灰铁铸件机械性能的方法一、灰铸铁定义灰铸铁是指具有片状石墨的铸铁，因断裂时断口呈暗灰色，故称为灰铸铁。
主要成分是铁、碳、硅、锰、硫、磷，是应用最广的铸铁，其产量占铸铁总产量80%以上。
二、影响灰铸铁机械性能的因素对灰铸铁铸件机械性能和金相组织的影响主要有化学成分、铁水的孕育、炉料配比、铁水过热处理、高温铁水在炉内保温时间、铁液的冷却速度、铸件的开箱时间等因素都会对灰铁铸件机械性能产生影响。
三、影响机械性能的机理1、化学成分：（1）五大常规元素C、Si、Mn、P、S的影响：a、C、Si都是促进石墨化元素，CE=C+1/3（Si+P），石墨的强度极低，相对与铁来说可以看作没有，加上灰铸铁中石墨以片状形态存在，对基体的割裂作用很明显，所以提高CE促进石墨变粗，石墨数量增加，铸件的强度和硬度会下降；CE降低，石墨数量减少，会增加铸件白口倾向，石墨片细化，由于增加初析奥氏体枝晶，从而提高铸件的力学性能，但铸件的铸造性能会下降，铸件的断面敏感性增加，硬度增加。
b、Mn、S都是稳定碳化物、阻碍石墨化元素，Mn是扩大奥氏体区元素，提高铁液中的Mn含量可以有效的降低奥氏体转变温度，有利于珠光体的形成和稳定珠光体的作用，并且奥氏体在较低温度下转化为珠光体，所以减小了珠光体之间的间距，有细化珠光体的作用，故Mn可以提高灰铁铸件的抗拉强度。
两者同事存在时会生成MnS及S的化合物，呈粒状分布在基体中，成为石墨非自发性晶核，促进石墨的形成，如果Mn、S过量不但对改善铸件性能没有帮助，还会增加铸件夹渣的机率，从而降低铸件的机械性能。
c、P可以使共晶点左移，少量的P可以增加铸件的硬度，但由于P熔点低，铁液凝固是偏析到晶界，形成磷共晶，增加铸件的脆性，降低铸件的致命性。
（2）其他合金元素和微量元素的影响：a、Mn、Cu、Mo等元素都可以促进珠光体生成，细化珠光体，稳定珠光体的作用，故Mn、Cu、Mo也能提高灰铁铸件的强度。
b、Pb：在灰铸铁中，Pb含量过高会形成魏氏石墨，严重影响铸件的性能。
灰铸铁组织中几种合金元素的应用与作用解析.
灰铸铁组织中几种合金元素的应用与作用解析生产高牌号孕育灰铸铁件，进行有效的孕育处理，是至关重要的，但是，正确地确定化学成分，必要时配加少量合金元素，也是不可忽视的条件。
如处理得当，合理选定化学成分和孕育处理方法可以有效的提高灰铸铁各个方面机械性能及其铸造成熟度。
这里，我们要讨论有关控制灰铸铁化学成分，及孕育处理的一些问题。
一．灰铸铁的组织和合金元素的影响灰铸铁的强度和综合质量，取决于其最终的显微组织，生产高牌号灰铸铁件，控制其显微组织的目标，大致有以下几方面：★极少量游离渗碳体和晶间渗碳体；★石墨形态为A型；★石长3——4 级。
★基体组织95%以上为珠光体，游离铁素体不多于5%；★晶粒细小均匀。
上述5项目标中，前3项要在铸铁共晶转变过程中建立基础，后2项则要通过控制铸铁共析转变来达到。
只有合理控制化学成分，有效地强化孕育才能满足上述五项条件。
1．铸铁的共晶过程要分析铸铁的共晶过程，不能不回顾一下铁-碳合金的相图。
铁-碳合金的相图是双重的，有稳定的铁-石墨系和介稳定的铁-渗碳体系。
制成高性能的灰铁件，当然不希望出现游离的渗碳体，所以要使铸铁按稳定的铁-石墨系凝固。
图1（借用李传栻的图）中简略地表示了铁-碳合金相图的共晶部分，并表示了一些合金元素对铁-石墨系和铁-渗碳体系共晶温度的影响。
图1 合金元素对铁-石墨系和铁-渗碳体系平衡共晶温度的影响铁-石墨系的共晶温度高于铁-渗碳体系的共晶温度，如果共晶成分的铁水冷却到铁-石墨共晶温度以下，同时又在铁-渗碳体的共晶温度以上，此时，对铁-石墨系而言铁水已经有了过冷度，可以进行石墨加奥氏体（γ）的共晶结晶，对铁-渗碳体系而言，则系统的自由能仍较高，没有进行渗碳体加奥氏体共晶结晶的可能。
这样，得到的是没有游离渗碳体的灰铸铁。
但是，对于只含碳而不含其他合金元素的铸铁，铁-石墨共晶结晶温度与铁-渗碳体共晶温度之间的间隔只有6℃，要实现上述凝固条件，实际上几乎是不可能的。
灰铸铁金相能力验证
灰铸铁金相能力验证一、引言灰铸铁是一种常见的铸铁材料，具有优良的机械性能和低成本的特点。
为了验证灰铸铁的金相能力，本文将从灰铸铁的组织结构、金相分析方法以及金相测试结果等方面进行深入探讨。
二、灰铸铁的组织结构灰铸铁的组织结构主要由铁素体、珠光体和渗碳体组成。
其中，铁素体是主要的组织相，珠光体是固溶体的析出相，而渗碳体则是由高温下的碳原子扩散形成的。
2.1 铁素体铁素体是由α-Fe组成的一种铁碳固溶体，其晶粒较大且呈板状排列。
铁素体的存在使得灰铸铁具有良好的韧性和可加工性。
2.2 珠光体珠光体是由铁素体中的C和Si等元素形成的一种固溶体。
珠光体的存在使得灰铸铁具有一定的硬度和耐磨性。
2.3 渗碳体渗碳体是由高温下的碳原子扩散形成的一种碳化物相，主要由Fe3C组成。
渗碳体的存在使得灰铸铁具有一定的强度和硬度。
三、金相分析方法金相分析是研究材料组织结构和性能的重要手段，对于灰铸铁的金相能力验证也是必不可少的。
3.1 金相试样的制备金相试样的制备是金相分析的第一步，通常需要将灰铸铁样品进行切割、打磨和腐蚀等处理，以获得适合金相观察的试样。
3.2 金相显微镜观察金相显微镜是金相分析的主要工具，可以观察灰铸铁的组织结构和相态。
通过金相显微镜的观察，可以得到灰铸铁的相组成、晶粒大小和分布等信息。
3.3 金相测试结果的分析根据金相显微镜观察得到的图像，可以进行金相测试结果的分析。
通过对相组成、晶粒大小和分布等进行定量分析，可以评估灰铸铁的金相能力。
四、金相测试结果根据金相分析的结果，可以得到灰铸铁的金相测试结果。
以下是一些常见的金相测试结果：1.相组成：灰铸铁中的相组成主要由铁素体、珠光体和渗碳体组成。
通过金相测试，可以确定各相的比例和分布情况。
2.晶粒大小：灰铸铁的晶粒大小对其力学性能和加工性能有重要影响。
金相测试可以测量灰铸铁中晶粒的大小和分布情况。
3.相间连续性：灰铸铁中不同相之间的连续性对其性能影响较大。
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［灰铸铁铸件生产技术灰铸铁组织灰铸铁组织］职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库灰铸铁铸件生产技术课程灰铸铁的组织灰铸铁的金相组织主要由基体组织和片状石墨组成，除此以外，还有少量氧化物、碳化物、磷化物、硫化物等夹杂物。
一、灰铸铁中的石墨组织灰铸铁结晶时，由于冷却速度和硅元素的影响发生了石墨化现象，灰铸铁中大量的碳以石墨的形式存在。
石墨本身有两个显著特点：一是密度小（约为2.25g/cm3）,其在铸铁中占有的体积较大，质量分数约为3%的石墨在铸铁中占到10%的体积；二是石墨硬度、强度很低，而且较脆。
因而，片状石墨在灰铸铁中存在，不仅减少了基体组织的有效承载面积，而且相当于许多裂口一样，对金属基体起到割裂作用。
同时，由于引起应力集中，致使金属集体的力学性能不能充分发挥，从而使灰铸铁的抗拉强度较低，塑性几乎为零。
灰铸铁中石墨的形状、分布、大小和数量对灰铸铁的性能产生了决定性的作用。
1.石墨形态灰铸铁中的石墨以片状为主，同时存在少量蠕虫状、团虫状、团块状和球状石墨等。
图2-1是灰铸铁放大100倍时的金相组织。
如果将通过深度腐蚀后观察石墨的立体形态，就会看到各共晶团内的石墨是一簇簇的，由同一核心组成，呈花朵状，如图1所示。
图1灰铸铁的金相组织（X100）图2石墨的形态2.片状石墨的分布GB/T7216-2009《灰铸铁金相检验》规定将片状石墨的分布形态分为六种，如图3所示。
（c）（a）（b）（（c）（a）（b）（d）（e）（f）图3片状石墨的分布类型（a）A型；（b）B型；（c）C型；（d）D型；（e）E型；（f）F型片状石墨的六种分布形式的特征、形成条件及其对灰铸铁力学性能的影响见表1。
其中A型和D型石墨的扫描电镜照片如图4所示。
表1片状石墨的六种分布形状分布形式代号特征形成条件对铸铁力学性能的影响细片状A片状石墨呈无方向均匀分布接近共晶的亚共晶成分，砂型铸造，冷却速度不大时在六种分布形式中，A型石墨是灰铸铁中经常出现的一种，而且使铸铁具有比较好的力学性能菊花状B片状及细小卷曲的片状石墨聚集成菊花状分布接近共晶的亚共晶成分，冷却速度较A型大，核条件较A型石墨差其力学性能较A型差块片状C初生的粗大直片状石墨，相当于A型石墨中分布有粗大的块状，且无方向性多出现在具有过共晶成分的铸铁中，特别是铸件厚大，冷却速度较慢时易出现由于石墨粗大，其力学性能急剧下降枝晶点状D细小卷曲的片状石墨在枝晶间呈无方向分布多出现在冷却速度较大，碳、硅含量较低的亚共晶灰铸铁中常出现在含碳量较低的髙牌号、薄壁铸件中，性能较E型石墨好枝晶片状E片状石墨在枝晶二次分枝间呈方向性分布多出现在远离共晶点的亚共晶成分中，但冷却速度较D型小由于晶间石墨分布有方向性，力学性能较差星状F初生的星状（或蜘蛛状）石墨，相当于粗大的C型石墨上生长着许多小片状石墨，均匀无方向性经常出现在过共晶成分的髙碳铸铁中，冷却速度较C型大的薄壁铸件中使铸件力学性能降低从表中可见，相同条件下，片状石墨的六种分布形式中以细小的A型石墨出现时，灰铸铁的性能较好。
灰铸铁铁水成分与金相组织力学性能之间的关系课件
Part
03
灰铸铁的金相组织
金相组织的概念
STEP 02
STEP 01
金相组织是指金属材料的 内部结构，包括晶粒大小 、相的组成和分布等。
STEP 03
通过观察金相组织，可以 对金属材料的性能进行评 估和预测。
金相组织决定了金属材料 的性能，如硬度、韧性、 强度等。
灰铸铁的金相组织类型
灰铸铁的金相组织主要有铁素体、珠光体和渗碳体等。 不同成分的灰铸铁会形成不同的金相组织，从而影响其力学性能。
铁的力学性能。
硅（Si）
硅有助于石墨的析出和细化，提 高铸铁的强度和耐磨性。但硅含
量过高会导致铸铁脆性增加。
锰（Mn）
锰可以改善灰铸铁的韧性，提高 抗拉强度和屈服强度。
杂质元素对金相组织与力学性能的影响
STEP 03
氧（O）
STEP 02
氧会与其它元素形成氧化 物夹杂物，影响铸铁的性 能。应尽量减少氧含量。
02
它是一种重要的铸造材料，广泛 应用于汽车、机械、化工、电力 等工业领域。
灰铸铁的应用
由于其良好的铸造性能、耐磨性、耐 腐蚀性和中等强度，灰铸铁广泛应用 于制造各种零部件和结构件。
例如，发动机缸体、气瓶、管道件、 机床床身等。
灰铸铁的特性
灰铸铁具有较高的抗压强 度和良好的耐磨性。
它还具有良好的耐腐蚀性 和抗氧化性，能够在高温 和低温环境下保持稳定的 性能。
STEP 01
硫（S）
磷（P）
硫是有害元素，会形成硫 化物夹杂物，降低铸铁的 韧性和耐腐蚀性。应尽量 降低硫含量。
磷也会降低铸铁的韧性和 耐腐蚀性。高磷含量会导 致铸铁脆性增加。
微量元素对金相组织与力学性能的影响
灰铸铁五大元素的作用和对机械性能的影响
灰铸铁五大元素的作用和对机械性能的影响产品机械性能是各国检验产品质量的重要指标，同时也是产品使用性能直接相关，为提高灰铸铁的性能，常采用的措施：选择合理的化学成分，改变炉料组成，孕育处理，铁液合金化等措施或几种措施结合，但是化学成分一般作为生产行为，标准中一般不做强制要求，要想得到一定的性能有多种配料方法。
灰铸铁中主要有五大元素碳、硅、锰、硫、磷，化学成分合理的选配是上述措施最重要和最经济的方法。
碳、硅及碳当量：碳、硅是铸铁的主要组成元素，又都是强烈促进石墨化的元素，一般情况下碳和硅含量越高，越有利于石墨化。
为了简化和避免使用多元合金相图，可以将碳、硅等元素，按照其对共晶点实际碳量的影响，将这些元素的量折算成对碳量的增减，谓之碳当量，以CE表示，为简化计算一般只考虑硅、磷的影响，因此简化公式：CE%=C%+1/3(Si+P)%。
因此碳当量的变化对机械性能有最直接影响，碳当量提高，促使石墨片变粗，数量增多，强度和硬度下降，碳当量降低，石墨数量减少，石墨片细化，由于增加初析奥氏体枝晶量，从而是提高铸件力学性能的措施，但同时导致铸件铸造性能降低，铸件断面敏感性增大，铸件内应力增加，硬度上升增加加工困难。
一般碳的质量分数大多2.6%-3.6%，硅的质量分数大多1.2%-3.0%。
锰、硫本身是稳定碳化物、阻碍石墨化的元素。
但两者共同存在时，会结合成MnS 及S化合物，以颗粒状分布于基体中，这些化合物的熔点在1600°C以上，不仅无阻碍石墨化的元素，而且还可作为石墨化的非自发性晶核。
一般硫的质量分数大多0.06%-0.15%，锰的质量分数大多0.4%-1.2%。
磷使铸铁的共晶点左移，作用程度与硅相似，但磷在铸铁中形成低熔点二元、三元磷共晶，虽然提高耐磨性，但随磷量增加铸件脆性增加致密性降低，磷的质量分数大多小于0.2%。
灰铸铁的组织与性能
1. 退火
退火的主要目的是得到铁素体基体的球墨铸铁，以提高 球墨铸铁的塑性和韧性，改善切削加工性能，消除内应力。
2. 正火
正火的目的是得到珠光体基体的球墨铸铁，从而提高其 强度和耐磨性。
3. 调质
调质的目的是获得回火索氏体基体的球墨铸铁，从而获 得良好的综合力学性能。
4. 等温淬火
灰铸铁具有优良的 铸造性能，力学性能可 以满足一般性零件的要 求；价格低廉，生产成 本较低，并且具有钢质 材料所不具备的其他特 殊性能，因此在实际生 产中应用比较广泛，是 机械制造业中使用最多 的材料之一。
卧式车床实物图
1—主轴箱 2—进给箱 3—床脚 4—床身 第4页5—/共溜18页板箱 6—刀架 7—尾座
第七章 铸铁
黑心可锻铸铁（铁素体基体的可锻铸铁）具有较高的塑性 和韧性，而珠光体可锻铸铁具有较高的强度、硬度和耐磨性。
2. 可锻铸铁的牌号及用途
可锻铸铁的牌号由“KT”（“可铁”两字汉语拼音首字母） 及其后的“H”（表示黑心可锻铸铁）或“Z”（表示珠光体可锻 铸铁），再加上两组数字组成，两组数字分别表示最低抗拉强度 和最低断后伸长率。
第七章 铸铁
二、铸铁的组织与性能的关系
铸铁的力学性能取决于铸铁的基体组织及石墨的数量、形 状、大小和分布状况。石墨的存在减小了铸铁的有效承载面积， 且受力时石墨尖端处产生应力集中，大大降低了基体强度的利 用率。因此，铸铁的抗拉强度、塑性和韧性比碳钢低。
由于石墨本身有润滑作用，石墨脱落后留下的空洞还可以 储油，使铸铁具有良好的耐磨性。石墨可以吸收振动能量，因 此铸铁具有良好的减振性。石墨割裂了基体，使切屑易脆断， 而且石墨有减摩作用，可以减小刀具磨损，使铸铁具有良好的 切削加工性能。
金相组织对性能的影响
金相组织对性能的影响：
1、金相组织确定了灰铸铁的各种性能。
炉料构成化学成分、熔炼方式、铁液过热与孕育处理、冷却速度、热处理等各种因素最终都是改变金相组织而影响灰铸铁性能的。
2、石墨与总碳量之比称为磨化度。
灰铸铁中共晶石墨的析出引起了体积增加，在型壁刚度不够喝铁液补缩不足时，往往会造成铸件的缩松缺陷。
3、石墨本身的力学性能很低，片状石墨的尖锐头部又易引起应力集中，因此石墨的数量、大小、形状及分布灰铸铁的力学性能密切相关。
石墨数量增加，石墨变粗降低了抗拉强度，挠度、疲劳强度和弹性模量。
4、片状石墨的存在破坏了灰铸铁的连续性，因此灰铸铁比蠕墨铸铁、球墨铸铁易产生渗漏而且片状石墨越大，灰铸铁致密越低。
5、不同类型的片状石墨各有其独特的性能，可应用在某些特殊的领域，大部分灰铸铁件具有A性石墨，而中等长度石墨较之其他石墨更适用于内燃机缸套（筒）类型的摩擦情况；C性石墨由于增加热导率，降低弹性模量，降低热应力，从而提高了抗热冲击的能力；D性石墨在不加工合金情况下往往伴随着铁素体产生，在铸件中产生软点，但切削加工能获得较细的粗糙度；E型石墨往往可在珠光体基本上产生获得，其耐磨性像珠光体加A型石墨的组织一样好。
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3.5.3 生产孕育铸铁的主要条件 （1）选择合理的化学成分
孕育铸铁的成分选择和普通灰铸铁一样， 要和铸件的壁厚密切结合起来考虑。
一般为：碳当量选择在灰口和麻口之间。
（2）铁液要有一定的过热温度
铁液温度越高，铁液的纯净度越高，越 有利于提高铸造性能，更主要的是，如果在 一定范围内提高铁液温度，能使石墨细化， 基体组织细密，抗拉强度提高。
铁水成分与金相组织、力学性能之间的关系
（1）灰铸铁的定义：在铸铁的金相组织中， 碳以片状石墨的形式存在，这种铸铁称为灰 铸铁。
（2）灰铸铁的金相组织 石墨的形态：
1）石墨 ABCDEF A型石墨 1、分布特征
均匀无向性分布 2、形成条件
1）共晶成分（亚共晶） 2）冷速较慢 3、对性能的影响
好
B型石墨 1、分布特征
1）冷却速度的影响
a.铸件结构的影响
在铸造生产实际中，冷却速度的影响常 常通过铸件壁厚、铸型条件以及浇注温度等 因素体现出来。图3.来自5说明铸件壁厚与铸铁 组织的关系。
从图中可以看出：随着铸件壁厚的减小，
铸件的冷却速度增加，铸铁组织中的石墨变 得细小，石墨化程度降低，基体中珠光体数 量增加且更细密，铁素体数量减少，铸铁的 强度、硬度都有所增加，但铸件过薄，易使 铸件局部或全部出现白口组织。例如，铸铁 炉前检验时常用的三角试片，它的断面组织 变化见图3.16。三角试片一端厚，另一端是 尖角，试片两端冷却速度相差很大，因而同 一铁水浇注后，试样断面上一般就能出现灰 口、麻口和白口铸铁的不同组织区域。
1） 碳和硅对铸铁组织与力学性能的影响
碳和硅是灰铸铁中最主要的两个元素， 它们对铸铁的组织与性能起着决定性的作用。
碳在铸铁中是促进石墨化的元素。增加 含碳量，可使铸铁的石墨化程度增加，形成 石墨的碳量增加，石墨也变得粗大，基体中 珠光体数量减少，铁素体增加。
适当降低含碳量，提高铸铁的强度。
硅对Fe-C相图的影响 1、包晶转变出现了三相区。 2、缩少奥氏体相区。 3、共晶转变出现了三相区。 4、降低了E、C、S点的含碳量。 5、共析转变出现了三相区。
菊花状分布 2、形成条件
1）共晶成分（比A低） 2）冷速较快 3、对性能的影响
较好
C型石墨 1、分布特征
板条状分布 2、形成条件
1）过共晶成分 2）冷速慢 3、对性能的影响
不好
D型石墨 1、分布特征
晶间无向性分布（点 状石墨） 2、形成条件 1）亚共晶成分 2）冷速快 3、对性能的影响
不好（现在观点：好）
（5） 铸铁的化学成分对组织和性能的影响
铸铁的化学成分是很复杂的，在铸铁中 除铁以外，主要元素有碳、硅、锰、磷、硫 等五种，其它还有随炉料和熔炼过程中进入 铸铁内的许多微量元素和各种杂质，以及有 时为了使铸铁获得某些特殊性能而加入的一 些合金元素如铬、铜、镍、钼、钒等。所有 这些元素都对铸铁的结晶组织和力学性能有 着很大的影响。
（4）灰铸铁的牌号
（5） 灰铸铁的 使用性能特点
1）机械性能特点 片状石墨
2）灰铸铁的硬度特点
3）灰铸铁的基体强度特点 、。
4）灰铸铁的其它性能特点
a.良好的铸造性能
b.良好的减振性
c.良好的耐磨性能
d.良好的切削加工性能
e.低的缺口敏感性
片状石墨相当于许多微小缺口，从而减 小了铸件对缺口的敏感性，因此表面加工质 量不高或组织缺陷对铸铁疲劳强度的不利影 响要比对钢的影响小得多。
E型石墨 1、分布特征
晶间有向性分布 2、形成条件
1）亚共晶成分（比D低） 2）冷速较慢 3、对性能的影响
不好
F型石墨 1、分布特征
星状分布 2、形成条件
1）过共晶成分 2）冷速较快 3、对性能的影响
不好
3）根据石墨尺寸的大小，将它分为八级，见 表2.4。
2）基体组织：
（3） 铸铁 的共 晶团
4）铸铁中合金元素对组织与性能的影响
第一组如镍、铜、钴、铝等元素，一般 都有促进一次结晶石墨化的作用。在这些合 金元素中，如镍、铜等又能阻碍珠光体分解， 稳定珠光体，因此可使珠光体数量增多和细 化强化铸铁基体，在铸铁中既能提高强度和 硬度(见图3.11)，又能防止白口的产生。
第二组如铬、钼、钒等都以渗碳体为基 础形成固镕体，如(Fe，Cr)3C，（Fe， Mo)3C，(Fe，v)3C也可以形成一些特殊碳 化物。因为这些合金元素能增强铁和碳的结 合力，故强烈地阻碍石墨化。
要做好孕育铸铁，要最大程度地改变自 身的凝固特点，就比须有相当高的过热温度 （1450℃～1470℃）。
3） 磷对铸铁组织与性能的影响
磷完全溶于铁水。结晶时，从Fe-C-P三 元状态图(图3.9)可以看出，Fe-Fe3C和FeFe3P也有共晶点e3，图中Ee1，、Ee2：和 Ee3三线皆下斜汇集于最低点E发生共晶反应。 E点为三元共晶点，其成分为6.89％P，2.40 ％C，90.71％Fe，共晶温度为950℃。
硫在铸铁中因能增强Fe-C原子间的结合
力，所以促使铸铁按介稳定系统进行结晶， 能较强烈的阻碍石墨化。特别当冷却速度较 高，碳硅量较低时，硫阻碍石墨化的作用就 更显著，铸铁白口化的倾向也越大。
3.5.2 孕育处理的目的
孕育处理目的在于：促进石墨化，降低 白口倾向；降低断面敏感性；控制石墨形态， 消除过冷石墨（晶间石墨）；适当增加共晶 团数和促进细片状珠光体的形成；从而达到 改善铸铁强度性能及其它性能的目的。
总之，碳、硅都是促进石墨化的重要元素，
它们对铸铁的组织与性能有着决定性的影响。 图3.6显示了碳硅量（碳当量）对石墨的作用。 提高铸铁的碳当量，可使石墨数量增多，石 墨粗大，共晶团颗粒增大。降低碳当量，可 减少石墨的数量，使石墨细化。若碳当量过 低，因增大了铸铁的结晶范围，使晶间石墨 增多。
2） 硫和锰对铸铁组织与性能的影响
第三组如钛等元素在铸铁中多形成特殊 碳化物，如TiC等。钛在灰铸铁中一般加入量 很小，它有轻微促进石墨化的作用，有的资 料指出，钛可促使高碳硅铸铁中粗大片状石 墨细化，因而有利于提高铸铁的强度。因它 还能提高铸铁的耐磨性(加入量0.1%Ti以下)， 所以可用于有润滑下的耐磨铸铁。
（6）冷却速度及其它工艺因素对铸铁组织性 能的影响