铸铁及其熔炼-第二章教材
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铸铁及其熔炼
第二章 灰铸铁
王悔改 主讲
School of Materials Science and Engineering
第一节 灰铸铁金相组织和力学性能特点
一. 灰铸铁金相组织特点
灰铸铁组织是由金属基体加片状石墨组成的。石墨是灰铸铁中碳以游 离态存在的一种形式，石墨的分布形态及尺寸是决定灰铸铁性能的重要因 素，而石墨形态和尺寸则主要是由石墨的形成条件，即形核程度及长大条 件所决定。 1. 片状石墨的分布类型及形成条件 ① 均匀分布无方向性的片状石墨（A型） 冷却速度较低的情况下形成的。存在于 石墨-奥氏体共晶团内，分布比较均匀。由于 冷速较低，结晶过程缓慢，故热流的方向性 对晶体的生长影响不明显，石墨片的生长方 向和个体尺寸不规则。碳当量高、生长慢、 共晶过冷度低时，片体粗大。
School of Materials Science and Engineering
图2-3 C型石墨 School of Materials Science and Engineering 图2-2 B型石墨
④ 枝晶点状石墨（D型）
初生奥氏体结晶温度范围宽，液相处 于较高的共晶过冷条件下，由充分发育的 奥氏体枝晶间熔液进行共晶转变而析出的 点状或细片状石墨。这是一种细小的过冷 石墨，分枝频繁，普遍发生弯曲、扭转、 片体尺寸小，分散度高，没有明显的方向 性。
⑥ 星状石墨（F型） 过共晶铁液在大的冷速下形成的。 星状石墨中心的大块状G为初生G，由 于冷速较大，初生G不能长大，而共晶 G则以初生G为依附沿辐射方向生长。
2.
基体组织
图2-6 F型石墨
基体是由不同比例的珠光体和铁素体组成。有些情况下，还存在一定 量的磷共晶、碳化物及硫化夹杂物等。 磷共晶呈网状、孤立岛状或鱼骨状，硬而脆，使铸铁的韧性降低，脆 性增加。 硫以FeS形式完全溶解在铁液中，但凝固时S在固溶体或渗碳体中的溶 解度小，会形成独立的硫化物，存在于共晶团晶界上，使铸铁的强度低。
⑤ 枝晶片状石墨（E型）
图2-4 D型石墨
Байду номын сангаас
亚共晶铁液在小的过冷度下形成的。 共晶之前析出初生奥氏体，残留在奥氏体 枝晶间的铁液在共晶转变中沿奥氏体枝晶 方向析出而形成有方向性的石墨。由于冷 速较低，因此G片比D型大。
图2-5 E型石墨 School of Materials Science and Engineering
石墨片的存在已在基体上形成大量的缺口，所以外来缺口（铸件上的 孔洞、键槽、非金属夹杂等）对灰铸铁的疲劳强度影响甚微，使铸铁的缺 口敏感性降低，提高了零件工作的可靠性。随着石墨细化或石墨形态的改 变，敏感性可能提高。
School of Materials Science and Engineering
当化学成分一定时，改变冷却速度，可在很大的范围内改变铸铁的 铸态组织。冷却速度对铸铁结晶过程的影响主要在于对相变过程中原子 扩散的影响。
图2-7 冷却速度对铸铁凝固组织影响示意图 School of Materials Science and Engineering
图2-8 形成晶间碳化物示意图
1. 共晶转变：若冷速很小，则在该温度下有较长的转变时间，有条件 进行碳原子的充分扩散，使转变倾向于按石墨共晶方式进行。因此，具 有一定硅、碳含量的铁液在共晶转变中，可因冷速不同而生成白口或灰 口铸铁。 2. 共析转变：在固态下进行，碳原子的扩散速率比共晶转变中的扩散 速率要低得多，需要很低的冷速才能完成奥氏体向石墨的转变。因此， 在实际铸铁组织中，白口基体为珠光体，灰口基体为不同比例的珠光体 和铁素体。
School of Materials Science and Engineering
② 基体的作用
铁素体较软，强度较低；珠光体有较高的强度和硬度，但塑韧性较铁 素体低。因此，基体的强度随着珠光体含量的增加和分散度的增大而增 大。
③ 共晶团的作用
细化共晶团，可使铸铁的强度提高。 2. 硬度 灰铸铁的硬度决定于基体，珠光体硬度较高。因此，随着珠光体含量 的增加和分散度的增大，铸铁的硬度增大。 3. 缺口敏感性
School of Materials Science and Engineering
图2-1 A型石墨
② 菊花状石墨（B型）
冷速较大时形成的。共晶开始阶段，G 分枝多而密，随着共晶转变中结晶潜热的释 放，外层G片沿热流方向伸展较长，随着热 流方向性减弱，外围G生长进一步减缓而呈 蜷曲状。对基体的削弱作用大于A型G。 ③ 块片状石墨（C型） 过共晶铁液在小的过冷度下形成的， 常称为初生石墨。液相中碳的来源充足， 而且石墨的形成不受其他固相阻碍，结晶 条件较好，晶体能充分发育，形成枝晶形 态的分枝。石墨片体比较粗大，对基体有 严重的削弱作用。
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二.力学性能特点
1. 强度性能
灰铸铁的强度性能由石墨形态、尺寸和基体中珠光体和铁素体的比例 等因素所决定。
① 石墨的作用
a. 缩减作用：石墨在铸铁中占有一定的体积，几乎没有强度，是金
属基体的有效承载截面积减小。主要取决于石墨的大小、数量和分布，以 数量为主。数量越多，尺寸越大，缩减程度越大，铸铁的强度和塑韧性降 低越严重。
4.
良好的减震性和减摩性
石墨具有缓冲作用，能阻止振动能量的传播；石墨是润滑剂，脱落在 摩擦面上，使灰铁摩擦面上形成大量显微凹坑，起到储存润滑油的作用， 使摩擦面上保持油膜连续。
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第二节 影响铸铁铸态组织的因素
一.冷却速度的影响
b. 缺口作用：石墨的片端好像是存在于铸铁中的裂口，在承受负荷 时造成应力集中，导致裂纹的早期产生并发展，出现脆性断裂，使灰铁的 塑韧性几乎表现不出来。主要取决于石墨的形状和分布，尤以形状为主， 如为片状石墨则主要取决于石墨片的尖锐程度，通常可以用石墨的表面积 与体积之比来说明。尖锐程度越大，造成应力集中越严重，强度越低。因 此，可通过改变G的形态来提高铸铁的力学性能。
第二章 灰铸铁
王悔改 主讲
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第一节 灰铸铁金相组织和力学性能特点
一. 灰铸铁金相组织特点
灰铸铁组织是由金属基体加片状石墨组成的。石墨是灰铸铁中碳以游 离态存在的一种形式，石墨的分布形态及尺寸是决定灰铸铁性能的重要因 素，而石墨形态和尺寸则主要是由石墨的形成条件，即形核程度及长大条 件所决定。 1. 片状石墨的分布类型及形成条件 ① 均匀分布无方向性的片状石墨（A型） 冷却速度较低的情况下形成的。存在于 石墨-奥氏体共晶团内，分布比较均匀。由于 冷速较低，结晶过程缓慢，故热流的方向性 对晶体的生长影响不明显，石墨片的生长方 向和个体尺寸不规则。碳当量高、生长慢、 共晶过冷度低时，片体粗大。
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图2-3 C型石墨 School of Materials Science and Engineering 图2-2 B型石墨
④ 枝晶点状石墨（D型）
初生奥氏体结晶温度范围宽，液相处 于较高的共晶过冷条件下，由充分发育的 奥氏体枝晶间熔液进行共晶转变而析出的 点状或细片状石墨。这是一种细小的过冷 石墨，分枝频繁，普遍发生弯曲、扭转、 片体尺寸小，分散度高，没有明显的方向 性。
⑥ 星状石墨（F型） 过共晶铁液在大的冷速下形成的。 星状石墨中心的大块状G为初生G，由 于冷速较大，初生G不能长大，而共晶 G则以初生G为依附沿辐射方向生长。
2.
基体组织
图2-6 F型石墨
基体是由不同比例的珠光体和铁素体组成。有些情况下，还存在一定 量的磷共晶、碳化物及硫化夹杂物等。 磷共晶呈网状、孤立岛状或鱼骨状，硬而脆，使铸铁的韧性降低，脆 性增加。 硫以FeS形式完全溶解在铁液中，但凝固时S在固溶体或渗碳体中的溶 解度小，会形成独立的硫化物，存在于共晶团晶界上，使铸铁的强度低。
⑤ 枝晶片状石墨（E型）
图2-4 D型石墨
Байду номын сангаас
亚共晶铁液在小的过冷度下形成的。 共晶之前析出初生奥氏体，残留在奥氏体 枝晶间的铁液在共晶转变中沿奥氏体枝晶 方向析出而形成有方向性的石墨。由于冷 速较低，因此G片比D型大。
图2-5 E型石墨 School of Materials Science and Engineering
石墨片的存在已在基体上形成大量的缺口，所以外来缺口（铸件上的 孔洞、键槽、非金属夹杂等）对灰铸铁的疲劳强度影响甚微，使铸铁的缺 口敏感性降低，提高了零件工作的可靠性。随着石墨细化或石墨形态的改 变，敏感性可能提高。
School of Materials Science and Engineering
当化学成分一定时，改变冷却速度，可在很大的范围内改变铸铁的 铸态组织。冷却速度对铸铁结晶过程的影响主要在于对相变过程中原子 扩散的影响。
图2-7 冷却速度对铸铁凝固组织影响示意图 School of Materials Science and Engineering
图2-8 形成晶间碳化物示意图
1. 共晶转变：若冷速很小，则在该温度下有较长的转变时间，有条件 进行碳原子的充分扩散，使转变倾向于按石墨共晶方式进行。因此，具 有一定硅、碳含量的铁液在共晶转变中，可因冷速不同而生成白口或灰 口铸铁。 2. 共析转变：在固态下进行，碳原子的扩散速率比共晶转变中的扩散 速率要低得多，需要很低的冷速才能完成奥氏体向石墨的转变。因此， 在实际铸铁组织中，白口基体为珠光体，灰口基体为不同比例的珠光体 和铁素体。
School of Materials Science and Engineering
② 基体的作用
铁素体较软，强度较低；珠光体有较高的强度和硬度，但塑韧性较铁 素体低。因此，基体的强度随着珠光体含量的增加和分散度的增大而增 大。
③ 共晶团的作用
细化共晶团，可使铸铁的强度提高。 2. 硬度 灰铸铁的硬度决定于基体，珠光体硬度较高。因此，随着珠光体含量 的增加和分散度的增大，铸铁的硬度增大。 3. 缺口敏感性
School of Materials Science and Engineering
图2-1 A型石墨
② 菊花状石墨（B型）
冷速较大时形成的。共晶开始阶段，G 分枝多而密，随着共晶转变中结晶潜热的释 放，外层G片沿热流方向伸展较长，随着热 流方向性减弱，外围G生长进一步减缓而呈 蜷曲状。对基体的削弱作用大于A型G。 ③ 块片状石墨（C型） 过共晶铁液在小的过冷度下形成的， 常称为初生石墨。液相中碳的来源充足， 而且石墨的形成不受其他固相阻碍，结晶 条件较好，晶体能充分发育，形成枝晶形 态的分枝。石墨片体比较粗大，对基体有 严重的削弱作用。
School of Materials Science and Engineering
二.力学性能特点
1. 强度性能
灰铸铁的强度性能由石墨形态、尺寸和基体中珠光体和铁素体的比例 等因素所决定。
① 石墨的作用
a. 缩减作用：石墨在铸铁中占有一定的体积，几乎没有强度，是金
属基体的有效承载截面积减小。主要取决于石墨的大小、数量和分布，以 数量为主。数量越多，尺寸越大，缩减程度越大，铸铁的强度和塑韧性降 低越严重。
4.
良好的减震性和减摩性
石墨具有缓冲作用，能阻止振动能量的传播；石墨是润滑剂，脱落在 摩擦面上，使灰铁摩擦面上形成大量显微凹坑，起到储存润滑油的作用， 使摩擦面上保持油膜连续。
School of Materials Science and Engineering
第二节 影响铸铁铸态组织的因素
一.冷却速度的影响
b. 缺口作用：石墨的片端好像是存在于铸铁中的裂口，在承受负荷 时造成应力集中，导致裂纹的早期产生并发展，出现脆性断裂，使灰铁的 塑韧性几乎表现不出来。主要取决于石墨的形状和分布，尤以形状为主， 如为片状石墨则主要取决于石墨片的尖锐程度，通常可以用石墨的表面积 与体积之比来说明。尖锐程度越大，造成应力集中越严重，强度越低。因 此，可通过改变G的形态来提高铸铁的力学性能。