第9章 铸钢和铸铁

1、第9章 铸钢和铸铁的金相检验9.1 铸钢的金相检验铸钢通过铸造成型，在电站、矿山、建筑、铁路、工程机械和农机等行业中普遍得到应用。但铸钢也有其自身的特点：由凝固特性决定的较粗大的树枝晶和一次组织、奥氏体组织及室温铸态组织、化学成分的严重偏析(特别对于高合金钢铸件)、钢液自液态至凝固及固态冷却过程中发生的体积收缩、冶炼和浇注时产生的气孔和非金属夹杂物等，这些均会对铸钢件的金相组织和使用性能有影响。9.1.1 铸钢的分类及常用牌号铸钢可按其化学成分或使用特性分类，两种分类方法见图7.9-1。图7.9-1铸钢分类铸钢的碳含量的质量分数通常不超过0.6%，多数铸钢件的碳含量处于低碳或中碳范围，但也有属

2、于高碳范围的铸钢。铸造合金钢常含有一定数量的合金元素，如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Cu等。近几十年来发展的微合金化铸钢，加入了0.1的Nb、B、Zr、Be、Ti或稀土等。常用的铸造碳钢有ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-70、ZG340-640等，它们的碳含量的质量分数()依次为0.20、0.30、0.40、0.50、0.60。常用的铸造合金钢有钼系钢：ZGl5Mo、ZG25Mo、ZG40Mo、ZG40M02、ZG50M02；铬系及铬钼系钢：ZG40Cr、ZG35CrMo；硅锰系钢，ZG20SiMn、ZG35SiMn、ZG42SiMn、ZG50

3、SiMn；锰钼钢：ZG50MnMo；铬锰硅钢：ZG35CrMoSi。9.1.2 金相组织(1) 凝固至室温形成的组织 铸钢在凝固过程中直至室温有三种组织分类：一次组织或凝固组织：二次组织或奥氏体组织；三次组织或室温铸态组织。钢液凝固时发生成核和晶体生长过程，其成核的相取决于化学成分。从Fe-C相图可知：含有c0.1的钢液由相成核，长成相的树枝状宏观组织；其二次组织的奥氏体在相晶界成核转变成二次奥氏体组织，呈现与一次组织部分重叠的形貌，见图7.9-2，冷至室温得到以魏氏组织铁素体为主的铸态组织。含c0.5的钢液，则由相长成相的树枝晶和二次奥氏体组织。而含有中间碳量的钢液，则由相成核，发生包晶反应

4、转变成相，再由相长大成一次和二次组织，见图7.9-3，在室温时大多为具有魏氏组织铁素体的珠光体和铁素体混合铸态组织。对于碳钢、随着碳含量的增加，珠光体数量增多。而当化学成分一定时，由于钢液熔化、浇注和铸件冷却条件的不同，使铸件凝固至室温的过程中的组织发生差异。 图7.9-2 由相成核的一次晶粒及尔后转变成的 图7.9-3 由相成核长大的一次晶粒示意图相的奥氏体晶界（实线）示意图 1) 树枝晶和凝固组织 钢液凝固时主要以树枝状方式生长，先结晶的支干部分含杂质元素和合金元素较少，最后凝固的部分和树枝晶间则杂质元素和非金属夹杂物偏聚，还常因凝固收缩造成枝间晶的不致密。通过金相的宏观酸蚀或深侵蚀的方法

5、可将树枝晶组织和凝固组织的晶界及不同晶粒区域显示出来。树枝晶的一次晶轴间和二次晶轴间的间距反映了铸件的凝固速度和枝晶间化学成分偏析的程度，它们的大小都将影响铸件的力学性能。铸件的凝固组织由表及里由表层的细晶，中心部位的等轴粗晶和介干两者之间沿冷却梯度方问生长的柱状晶三个区域组成。在一般采用砂摸的铸件中表层的激冷晶粒常不易发现，而拉长的柱状晶粒在普通的碳钢和低合金钢中常仅有一定的长度。但在高合金钢铸件中则占主导地位。铸件的截面积越大，冷却速度越慢，则由树枝晶生长而成的柱状晶和等轴粗晶越发达，区域面积也越大。同一铸件的不同部位截面，柱状晶和等轴晶的大小、各晶区的比例及分布也不相同。改变冷却或成核条

6、件，可在铸件内部获得全部定向凝固的柱状晶或超细的等轴晶。钢的化学成分也会影响铸钢的凝固组织。发达的等轴粗晶和柱状晶的存在，会对铸件的力学性能和铸造性能产生不良的影响。柱状晶本身较致密，强度及韧塑性较好，但晶间富集了大量的杂质元素和非金属夹杂物，导致晶间强度下降，力学性能呈明显的方向性，严重时还会使铸件冷却时发生沿晶开裂。在粗大的柱状晶及等轴晶间因凝固收缩不易得到钢液的补充，常在晶间及铸件的心部出现分散的疏松和气孔缺陷，使心部的力学性能低于边缘。2) 化学成分的偏析 由于铸件的复杂形状，往往在铸件不同厚度的截面上同时存在着固相、固液共存和液相三种状态，从而使铸件与铸型之间的热交换是通过若干区域来

7、完成的。这种区域性的成分不均匀在宏观组织中称为宏观偏析，如大型铸件中的V形和倒V形偏析，中心偏析等。铸件凝固时的冷却速度越快，宏观偏析(和微观偏析)的程度越严重。铸件中非金属夹杂物的形成是合金元素和杂质元素宏观偏析和微观偏析的结果。其主要形式是金属氧化物、硫化物和硅酸盐。主要分布在树枝间或树枝晶间。氧化物夹杂物大多为脆性的，形貌为颗粒状或多角形，其中以A1203对性能影响较大。硅酸盐夹杂物常呈较大的球状或颗粒状，在钢中弧立分布。铸钢中的硫化物为塑性夹杂物，大多呈灰色，以其形态和分布分成三类，其形态、分布及对性能的影响见表7.9-1。 表7.9-1 铸钢中硫化物的分类及影响类别形 态 分 布影

8、响较大球状或粒状，孤立分布在一次晶界上很小细小点、条状，呈不连续网状，以共晶形式分布在一次晶界上降低塑性粗大块状，MnS为主，在晶界单独分布不大3) 宏观组织缺陷 铸件的宏观组织缺陷包括缩孔(残余)、缩松、气孔、热裂纹、夹杂物及由固态收缩引起的冷裂纹和鱼眼状白点发纹等。无论是在处于半熔化状态的截面变化交界处所产生的热裂纹，或是由于钢液中氢含量偏高而引起的鱼眼状白点发纹，或由收缩应力引起的缩孔、缩松及残留在钢中的气孔或非金属夹杂物，都破坏了金属的连续性，从而恶化钢的性能。它们都是铸钢宏观组织中必须控制的缺陷。(2) 铸钢的铸态组织 魏氏组织铁素体和粗大的奥氏体晶粒是亚共析铸钢典型的铸态组织，见图

9、7.9-4和图7.9-5。 图7.9-4 ZG270-500魏氏体组织 100X图7.9-5 ZG20CrMo铸钢的铸态组织 125X铸钢的凝固是个连续的快速冷却过程。它不同于缓慢冷却或等温过程，从而使冷却时的相变不按照平衡态的转变规律，即在未达到真正共析成分前已发生了共析转变，得到伪共析组织。在亚共析钢中，进一步提高冷速甚至可形成一系列如贝氏体或马氏体的非平衡组织。 先共析铁素体是过冷奥氏体在稍低于Ar3以下时，在奥氏体晶界上形成的扩散型高温转变产物，随着冷速的变化，它可以呈晶界块状、晶界网状或魏氏组织片状三种形态。在亚共析钢中，铁素体在奥氏体晶界或晶内成核并沿母相奥氏体一定的惯习面111r

10、析出片状铁素体，在晶界呈羽毛状或晶内等边三角形状，得到与珠光体共存的混合组织，即铁素体魏氏组织。随冷速增加，铁素体变厚变疏，甚至转变成其它非平衡组织。过缓或过快的冷速均会抑制它的产生。随着含碳量的增加，珠光体量增多，魏氏组织铁素体渐趋不明显， 低中合金铸钢与碳钢具有相似的宏观组织，但由于化学成分及冷速的影响，其铸态组织可由珠光体、细珠光体、贝氏体、马氏体，以及块状或片状铁素体组成。铸钢件在凝固过程中，奥氏体沿截面厚度方向长出不同形状的晶粒。截面越厚，冷速越慢，柱状晶和等轴晶越长大，按晶粒度标准评级常大于1级。粗大的二次组织将得到粗大的铸态组织，它将明显地影响热处理后的组织，从而影响室温性能。(

11、3) 热处理后组织 铸钢件由于截面厚薄相差悬殊，体积较大，因此热处理工艺一般较简单。常用的热处理方式为：退火、正火、回火、调质，也可进行表面化学热处理。但由于铸件的成分偏析严重，致其局部的组织转变较复杂，各部位的显微组织可能有所不同。结构用铸钢件常用的热处理工艺类型及金相组织见表7.9-2。表7.9-2结构用铸钢件的热处理方式及其组织形貌类别主 要 目 的规 范金 相 组 织应 用 范 围消除应力退火消除内应力，防止开裂加热至Ac1以下100 200保温后缓冷仍为铸态组织一般铸钢件常用高温扩散退火成分和组织均匀化加热至Ac3以上120200长时间保温后空冷均匀的再结晶组织，但晶粒度粗，表面氧化

12、脱碳要求高的高合金钢铸件完全退火软化基体，消除应力，细化组织加热至Ac3以上3060保温炉冷消除铸态组织，得到细化的铁素体和珠光体所有牌号铸件的预处理不完全退火降低硬度，改善切削性能，消除应力加热至AclAc3之间保温后炉冷部分组织转变和细化要求不高铸件的退火处理正火得到高于退火态的力学性能加热至Ac3以上3060保温后空冷组织更均匀、细小，可为铁素体和珠光体或贝氏体、马氏体的混合组织一般要求铸件的交货态淬火提高硬度，满足回火的力学性能加热至Ac3以上2050保温后快冷使碳化物溶解，得到贝氏体或马氏体组织碳钢和低、中、高合金钢铸件回火消除淬火应力，调整韧塑性与强度的配合，淬火加高温回火称调质A

13、c1以下不同温度保温后空冷回火索氏体(高温回火) 或回火马氏体(低温回火)力学性能要求较高的铸件淬、正火后的后续工序9.1.3 金相检验金相试样一般取自单铸或附铸试块上，宏观组织试片或断口取自铸件本体。试样的选取应有代表性和针对性，并应注意：其宏观组织和缺陷的分布会因顺序凝固而呈方向性，其微观组织则由于成分偏析而呈现不均匀。（1）宏观组织检验 用酸蚀法可显示铸件的宏观组织，成分不均匀性及冶金或铸造缺陷。宏观组织显示的常用侵蚀液及适用范围参见“钢铁酸蚀侵蚀试剂”，宏观组织及缺陷在酸蚀试片上的特征见表7.9-3。（2）微观组织检验1）铸造碳钢的金相检验 晶粒度和非金属夹杂物的评级可按GBT 849

14、31987一般工程用铸造碳钢金相，参照GBT63941986金属平均晶粒度测定方法。以ZG310570铸钢为例，在铸态和不同热处理状态下的显微组织见表7.9-4。铸造碳钢中非金属夹杂物的测定标准中共分五个级别。在100倍显微镜下，取视场直径79.8mm，选取最严重视场与标准图片比较后评级。如有特殊需要，也可取不同视场下的平均级别来评级，可参照GBT105611989钢中非金属夹杂物显微评定方法)。表7.9-3 宏观组织及缺陷在酸蚀试片上的特征组织或缺陷分 布酸蚀面上的形态树枝晶整个试样表面呈方向或无方向性的树枝状晶粒和晶区一般为中心等轴粗晶，外围柱状晶，呈对称或不对称分布，也可能整个截面全为等

15、轴晶或柱状晶柱状晶基本垂直于铸型壁，晶界、晶区均明显偏析分布较广小黑点、小孔洞或由它们组成的区域气孔局部分布在表面或次表面梨形或椭圆形空洞。小孔成群则称蜂窝状气孔针孔垂直于铸壁分布垂直排列的圆、条形孔洞，沿柱状晶走向。深入皮下，则称皮下针孔缩孔(残余)单个，集中分布，体积大形状极不规则的空洞，外露于空气，周围有疏松和孔洞聚集，偏析严重缩松集中，或堆在缩孔底部或厚截面内部形状不规则的空洞群热裂纹局部分布于厚薄截面处若干穿透或不穿透裂纹，曲折且不连续，沿原奥氏体晶界或枝晶间走向冷裂纹局部分布于薄壁处较平直，穿透裂纹鱼眼白点近截面中央，垂直于拉应力方向细，短发纹状非金属夹杂物局部，无规律不同形状和耐

16、蚀程度的小黑点或叫小、孔洞群 表7.9-4 ZG310一570铸钢不同状态下的显微组织 状态热处理温度，显微组织及其特征铸 态珠光体、铁素体，部分铁素体沿奥氏体晶界呈网状分布退火非正常正 常非正常AclAc3Ac3+50150Ac3+150以上珠光体、铁素体、残留铸态组织珠光体、铁素体珠光体、铁素体(组织粗化)正火AclAc3Ac3+50150Ac3+150以上珠光体、铁素体、残留恃态组织珠光体、铁素体珠光体、网状分布的铁素体(组织粗化)调质非正常正 常非正常AclAc3水淬+回火Acl+3050水淬+回火Acl+50以上水淬+回火回火索氏体、未溶铁素体回火索氏体回火索氏体(组织粗化)2）无损

17、金相检验及其它 由于铸钢件体积较大，对于大型或不能破坏的铸件需要进行金相检验时，可直接在铸件上选择试验点，然后进行手工或机械磨抛，侵蚀后在显微镜下观察。目前生产的各种现场金相检查仪均具有试佯制备、观察和照相的全套功能，可达到制样迅速、组织观察或记录清晰的目的。另一种采用胶膜(如AC纸)复型的方法，同样可获得与直接观察试样相接近的效果，且具有可保存和重复观察或照相等优点。（3）断口检验和分析 铸钢断口检验的对象主要是含有冶金或铸造缺陷的断口及影响力学性能的某些不正常断口。它常作为分析断裂原因或缺陷性质的重要手段之一。断口中常见铸造和冶金缺陷的断口形貌特征见表7.9-5表7.9-5 缺陷的断口特征

18、缺 陷断 口 形 貌偏析短杆状，较光滑的条带(高倍下有时可见成串夹杂)气孔单个或成束，内壁光滑的条形(外露时带有氧化色)针孔条形孔洞，内壁光滑，不露头，呈银灰色缩孔呈管状，表面粗糙，严重氧化，常见发达的树枝晶和夹杂物堆积缩松内壁粗糙，不露头，可见树枝晶热裂纹露头的氧化严重；表面起伏，圆滑冷裂纹未氧化的呈灰色纤维状或沿原奥氏体晶粒开裂呈岩石状非金属夹杂物成堆分布的颗粒群，有的呈黄绿色 9.2铸铁的金相检验铸铁是一种含碳量的质量分数大于2.11的铁碳合金。铸铁中的碳可以固溶、化合和游离三种状态存在。在铸铁的凝固、结晶和随后的热处理过程中，碳的存在状态还会发生变 化，从而影响到铸铁的组织和性能。在工

19、业铸铁中，除碳、硅以外，还含有锰、硫、磷等其他元素。特殊性能的合金铸铁分别含有铬、钼、铜、镍、钨、钛、钒等合金元素。铸铁的显微组织主要由石墨和金属基体组织所构成。 由于铸铁组织中的石墨比较柔软，有些石墨的颗粒尺寸较大，甚至结构较松散，应特别 注意防止在铸铁试样制备过程中产生石墨剥落、石墨曳尾，或抛光不足等制样缺陷，以免有 碍对铸铁石墨和组织的正常检验。铸铁金相测试的基本内容应包括；对石墨形态、大小和分布的分析；对基体中各种组织组成物形态、分布和数量及其相互配置的分析；对铸造、热处理及其他工艺因素所引起的缺陷的判别和分析；对铸铁断口的宏观和微观分析；对铸铁的成分、组织、性能和生产工艺的综合分析。

20、在工业生产中，通常根据铸铁中碳的存在状态、石墨的形态特征及铸铁的性能特点，将铸铁分为白口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁和特殊性能铸铁等。9.2.1 铸铁的显微组织（1）石墨形态和石墨大小1）石墨形态 除白口铸铁外，各种铸铁都具有其特有形状的石墨。即使在同种铸铁中，各种石墨的形状差别也很大。石墨的几何形状可以用石墨形态来表示。石墨形态既是石墨形状的表征，又是对石墨形状的分类。我国国家标准GBT 94411988球墨铸铁金相检验通过测试石墨面积率来定量地划分石墨形态。所谓石墨面积率是指石墨截面的实际面积与石墨最小外接圆面积的比率。在测试和计算石墨面积率时，须将石墨适当放大，用剪纸称重法

21、求得。也可用图像分析仪或其它方法测试。当用几何方法作石墨的外接圆时，应以石墨的最大投影长为直径作圆。当上述方法所作的圆不能包容整个石墨时，则采用三角形法作外接圆，见图7.9-6。 图7.9-6 石墨最小外接圆作图法 a) 以石墨最大投影长为直径作图 b) 求三角形中心作圆石墨面积率反映了石墨截面的几何形状接近理想圆面积的程度。根据石墨面积率值可以将铸铁的石墨划分为球状、团状、团絮状、蠕虫状和片状五种形态，石墨形态与石墨面积率的对应关系见表7.9-6。 表7.9-6 石墨形态与石墨面积率对照表石墨形态球状团状团絮状蠕虫状片状（a）（b）（c）（d）（e）石墨面积率>0.810.610.80

22、0.410.600.100.41<0.102）石墨大小及其分级 在铸铁中，石墨的大小或长度往往存在着较大的差异。石墨的几何尺寸可以用其大小(长度)来表示。石墨大小(长度)分级既是石墨几何尺寸的表征，也是对石墨大小的分类。这种分级必须反映石墨大小(长度)对铸铁性能影响的基本规律。国家标准GBT 72161987，灰铸铁金相和GBT 94411988球墨铸铁金相检验标准等效采用了国际标准ISO 9451975(E)铸铁石墨显微组织的分类的分类方法。这种方法规定的石墨大小(长度)分级，见表7.9-7。表7.9-7 石墨大小(长度)分级(100×)级别片状石墨长度/mm球状石墨球径/m

23、m1100/250100/32550255041225122556126126363671.531.5381.51.59.2.2 基体组织及显示方法在金相分析中，常将除石墨以外的部分统称为基体。（1）基体组织 铸铁在铸态或正火、退火态下的基体组织有铁素体、珠光体和奥氏体，有时会出现渗碳体、莱氏体和磷共晶。通过适当的热处理，可以获得贝氏体、马氏体及其回火组织，有时在铸态下也可获得某些热处理状态下的组织。铸铁中各种组织的形态特征及性能特点见表7.9-8。（2）显示方法 在显示铸铁的基体组织时，常采用化学侵蚀法。最常用的化学侵蚀剂是硝酸酒精溶液和苦味酸酒精溶液。有时可采用染色剂进行热染侵蚀。在作光学

24、金相测试时，还可以采用氧化法、电解侵蚀法。为了鉴别一些形态、色彩相近的组织，可借助暗场、偏光、相衬等特殊的光学装置，或同时辅以显微硬度法等手段。9.2.3 白口铸铁当铁水按Fe-Fe3C亚稳定系相图结晶时，仅有极少量的碳溶于铁素体中，绝大部分碳以碳化物状态存在。白口铸铁的断口呈银白色。其性能特点是高硬度、高耐磨性。（1） 白口铸铁的分类1）亚共晶白口铸铁 c<4.3，共晶度<1。一次结晶后的组织为初生奥氏体和共晶莱氏体。在二次结晶过程中，奥氏体转变成珠光体。在室温下的组织为莱氏体和珠光体。见图7.9-7。2）共晶白口铸铁 c4.3，共晶度为1，一次结晶后的组织为共晶莱氏体。在二次结

25、晶过程中，奥氏体向珠光体转变，其室温组织为莱氏体。见图7.9-8。3）过共晶白口铸铁c >43，共晶度>1。一次结晶后的组织为初生渗碳体和共晶莱氏体。在二次结晶过程中，随着奥氏体向珠光体转变，其室温下的组只为渗碳体和莱氏体。见图7.9-9。 7.9-7 亚共晶白口铸铁组织 7.9-8共晶白口铸铁组织 7.9-9过共晶白口铸铁组织（2） 生产中常用的白口铸铁 在工业生产中，白口铸铁主要用于抗磨条件下。应用最多的是冷硬白口铸铁和高铬白口铸铁。1）冷硬白口铸铁 它是利用金属型或冷铁对铁水的激冷作用而获得的。由于激冷作用，在距激冷表面一定深度内为白口组织。冷硬白口铸铁的特点是表面硬度高而心

26、部具有稍高的韧性，常用于冶金轧辊和发动机凸轮、梃柱等。冷硬白口铸铁的金相组织 自激冷表面至心部存在三个组织区域。a.白口区。此区呈全白口组织。生产中一般选用亚共晶或共晶白口组织。b.麻口区。组织为珠光体、渗碳体和片状石墨。这是白口与灰口的过渡区。c.灰口区。组织为珠光体和片状石墨。这完全是灰口铸铁的组织。表7.9-8 铸铁中各种组织的形态特征和性能特点组织名称形 态 特 征性能特点铁素体是碳(或同时少量硅)溶于a-Fe中形成的固溶体。其最大含碳量c=0.02。经硝酸酒精溶液侵蚀后，可显示铁素体晶粒。铁素体常分布在石墨周围塑性和韧性高，强度和硬度低渗碳体是铁和碳的化合物，即Fe3C。当存在合金元

27、素时，可能形成合金渗碳体或碳比物。经硝酸酒精溶液侵蚀后仍呈白色；经碱性苦味酸钠水溶液侵蚀后呈棕色硬度高，脆性大，无塑性和韧性珠光体是铁素体与共析渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体呈层片状交错排列。经硝酸酒精溶液侵蚀后，在高倍下可见到层片状结构 性能介于铁素体与渗碳体之间奥氏体是碳(或同时少量硅)溶于-Fe中形成的固溶体。其最大含碳量为：c=2.1l。当铸铁中含有扩大区的合金元素(如镍、锰等)时，可在室温得到奥氏体。经氯化高铁盐酸溶液侵蚀后，可见到晶粒强度和硬度较低，塑性高莱氏体是渗碳体与共晶奥氏体组成的机械混合物。室温下，莱氏体由渗碳体与珠光体，或渗碳体与铁素体构成。经硝酸酒精溶液侵蚀后呈

28、骨骼状或峰窝状硬度高，耐磨性好，但韧性低磷共晶是磷化铁与奥氏体或磷化铁与奥氏体和渗碳体组成的二元共晶体或三元共晶体。经硝酸酒精溶液侵蚀后，呈边界向内凹陷的多边形。在白亮的磷化铁基体上分布着奥氏体分解产物硬度高，耐磨性好，脆性大上贝氏体球墨铸铁中的上贝氏体实际上是铁素体。由于这种铁素体总是伴有大量稳定的高碳残余奥氏体，故常称为奥氏体贝氏体组织。经硝酸酒精溶液侵蚀后呈羽毛状强度、塑性和韧性均较高下贝氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体，在其内部，碳化物沿-Fe特定的位向析出，经硝酸酒精溶液侵蚀后呈纤细的黑针状强度和硬度高，塑性和韧性较低马氏体是碳在a-Fe中的过饱和固溶体，经低温回火后为回火马氏体。经

29、硝酸酒精溶液侵蚀后，呈“竹叶”状，常呈“Z”字形分布，一般为高碳马氏体强度和硬度很高，塑性和韧性很低冷硬铸铁的金相测试 主要是对白口区组织的测试。一般包括以下内容。a.石墨。当铁水的含硅量过高或浇注温度过低时，往往在白口区内析出呈点状分布的石墨。这将降低铸铁的硬度和耐磨性。为此，应控制点状石墨的数量和分布。b.白口层深度。是指从激冷面开始，与激冷方向垂直的白口深度。一般从表面测量至出现麻口处为止。白口层深度是保证铸铁使用寿命的主要因素。c.白口组织。是指莱氏体组织的细密程度和碳化物的块度。在硬度相近的条件下，莱氏体愈细密，铸铁的耐磨性愈高。白口铸铁也可采用淬火、回火处理和等温淬火处理，以得到回

30、火马氏体和贝氏体组织。2）高铬白口铸铁 为克服普通白口铸铁的脆性，并进一步提高铸铁的耐磨性，通常加入较高含量的铬(一般c1230)和其它些合金元素而获得高铬白口铸铁。这种铸铁已广泛用于破碎、研磨、物料运输和冶金设备上。高铬白口铸铁的金相组织 在铸态下，这种铸铁的组织般为马氏体和碳化物及少量残余奥氏体，有时会存在少量珠光体。高铬白口铸铁经淬火、回火处理后获得回火马氏体基体组织。在高铬白口铸铁中，除有大量共晶碳化物外。还会出现数量较多的呈点状分布的二次碳化物。高铬白口铸铁的金相检验a.共晶碳化物。在铸铁中，随着含铬量增加，共晶碳化物由(Fe，Cr)3C型转变成(Fe ，Cr)7C3型。高铬白口铸铁

31、的共晶碳化物为(Fe，Cr)7C3型，这种碳化物不仅硬度较(Fe，Cr)3C型碳化物高，而且呈孤立的杆状或菊花状分布，有利于维护基体的连续性。而(Fe，Cr)3C型碳化物一般呈网状分布，对基体造成隔离作用。高铬铸铁的共晶碳化物一般体积分数为20左右。过少的共晶碳化物降低铸铁的耐磨性。b.马氏体。热处理型高铬白口铸铁必须获得马氏体基体。在显微镜下，马氏体呈隐针状。马氏体的高硬度可以抵御磨料的切削作用。此外，马氏体还能充分发挥其支撑共晶碳化物的作用。马氏体基体适用于要求高抗磨性的工况。c.二次碳化物。高铬白口铸铁热处理后往往存在一定数量的二次碳化物，它是从奥氏体中析出，呈点状分布。其数量与淬火温度

32、和冷速有关。当大量二次碳化物从奥氏体中析出时，降低碳及合金元素在马氏体中的过饱和度，使马氏体的硬度降低。但如抑制二次碳化物从奥氏体中析出，或析出量过少，则增加过冷奥氏体的稳定性，淬火后不能全部得到马氏体，同样会使硬度降低。正确的热处理工艺必须通过控制二次碳化物的析出，既保证过冷奥氏体全部转变成马氏体，又保证马氏体具有高硬度。9.2.4 灰铸铁灰铸铁是工业上应用最广泛的铸铁，其生产工艺简单，成本低廉，还具有良好的铸造性能和优良的耐磨性、减震性以及低的缺口敏感性。灰铸铁的断口呈深灰色。（1） 灰铸铁的牌号灰铸铁的牌号是按其强度指标划分的。生产上，提高灰铸铁强度的主要手段是孕育处理和合金化。因此，常

33、将灰铸铁分成普通灰铸铁、孕育铸铁和合金铸铁三大类。国家标准GB/T 9439-1988灰铸铁件规定的牌号见表7.9-9。表7.9-9 单铸试棒的牌号及抗拉强度牌号最小抗拉强度Rm/MPa牌号最小抗拉强度b/MPaHT100100HT250250HT150150HT300300HT200200HT350350（2） 灰铸铁的金相组织1）石墨分布 灰铸铁的显微组织特征是石墨呈片状。国家标准GBT 72161987灰铸铁金相将灰铸铁的片状石墨分为A型、B型、C型、D型、E型和F型。这六种类型的石墨分布形状分别为片状、菊花状、块片状、枝晶点状、枝晶片状和星状。其形状特征及形成原因见表7.9-10。2）

34、珠光体的片间距 在灰铸铁中，珠光体一般呈片状。珠光体的片间距决定于奥氏体的成分和晶粒大小以及奥氏体共析转变的过冷度等因素。珠光体的片间距愈小，铸铁的强度愈高。一般将珠光体的片间距分成4个级别，见表7.9-11。3）碳化物形态 通常将灰铸铁中的碳化物形态分为条状、块状、网状和莱氏体状碳化物，其形态特征见表7.9-12。4）磷共晶形态 通常将灰铸铁的磷共晶分为二元磷共晶、三元磷共晶、二元磷共晶-碳化物复合物、三元磷共晶-碳化物复合物四种形态。其形态特征见表7.9-13。 表7.9-10 各种石墨分布的形状特征及形成原因石墨分布类型形 状 特 征形 成 原 因A片状石墨呈均匀分布共晶或接近共晶成分的

35、铁水在较小的过冷变下形成B片状与点状石墨聚集成菊花状分布共晶或接近共晶成分的铁水在较大的过冷度下形成C部分带尖角块状、粗大片状初生石墨及小片状石墨过共晶成分的铁水在较小的过冷度下形成D点、片状枝晶间石墨呈无向分布亚共晶成分的铁水在较强烈的过冷变下形成E短小片状枝晶间石墨呈有向分布亚共晶成分的铁水在较大的过冷度下形成F星状（或蜘蛛状）与短片状石墨混合均匀分布过共晶成分的铁水在较大的过冷度下形成 表7.9-11 珠光体片间距分级级别名 称放大500倍下的片间距1 索氏体型珠光体铁素体与渗碳体准以分辨2 细片状珠光体1mm3 中等片状珠光体12mm4 粗片状珠光体2mm表7.9-12 碳化物形态分类

36、碳化物形态形态特征形成过程条状碳化物碳化物呈长条状与针状，往往具有一定的方向性从液体中直接析出，属初生碳化物块状碳化物碳化物呈无规则块状从液体中直接析出，属初生碳化物，也可能在结晶残液中形成网状碳化物碳化物呈连续或断续网状，分布在共晶团边界上一般为亚共晶成分铁水在析出奥氏体后于共晶转变时形成，也可能从奥氏体中析出莱氏体型碳化物碳化物呈鱼骨状，与珠光体组成共晶体在共晶转变过程中形成 表7.9-13 磷共晶形态分类磷共晶形态形 态 特 征组 织 说 明二元磷共晶基体为磷化铁，其上均匀分布着球状物或点状物由磷化铁和奥氏体分解产物(珠光体或铁素体、石墨)组成共晶体三元磷共晶基体为碳化铁，其上不均匀分布

37、着球状物或点状物由磷化铁、奥氏体分解产物、碳化物组成共晶体。碳化物与磷化铁无明显边界二元磷共晶-碳化物复合物二元磷共晶与块状或条状碳化物构成复合物磷共晶与碳化物之间形成明显的边界线三元磷共晶-碳化物复合物三元磷共晶与块状或条状碳化物构成复合物磷共晶与碳化物之间形成明显的边界线5）共晶团 灰铸铁在共晶结晶后，形成由奥氏体和片状石墨簇所组成的共晶团。由于在共晶团边界上常聚集着富磷的偏析物和杂质，因此可以采用某些侵蚀剂将共晶团显示出来。共晶团数主要决定于铁水共晶结晶时的石墨晶核数目和过冷度。生产上，一般采用孕育处理来获得细小的共晶团。在灰铸铁中，共晶团愈细小，铸铁的力学性能愈高。共晶团数是指在放大1

38、0倍或40倍下，70mm视场内的共晶团个数。此外，共晶团数还可以用每平方厘米视场面积内的共晶团数来表示，并据此进行数量分级，见表7.9-14。 表7.9-14 灰铸铁共晶团数量分级级别70mm图片中共晶团数量(个)单位面积中实际共晶团数量个·cm-2放大10倍放大40倍1>400>25>10402400251040330019780420013520515093906100626075031308<50<3<130（3） 灰铸铁金相测试要点1）国家标准规定的主要测试项目 国家标准GBT7216-1987灰铸铁金相规定的主要测试项目如下：石墨a.分布

39、形状：有A(片状)、B(菊花状)、C(块片状)、D(枝晶点状)、E(枝晶片状)和F(星状)六种。b.长度(mm)：分>100(石长100)、>50100(石长75)、>2550(石长38)、>1225(石长18)、>612(石长9)、>36(石长4.5)、>1.53(石长2.5)和1.5(石长1.5)八级。珠光体a.片间距；分索氏体型珠光体、细片状珠光体、中等片状珠光体和粗片状珠光体四级。b.体积分数()：分98(珠98)、<9895(珠95)、<9585(珠90)、<8575(珠80)、<7565珠70)、<6555(珠

40、60)、<5545(珠50)和<45(珠40)八级。碳化物a.分布形状：有针条状、网状、块状、莱氏体状四种。b.体积分数()；分l(碳1)、3(碳3)、5(碳5)、10(碳10)、15(碳15)和20(碳20)六级。磷共晶a.类型：有二元磷共晶、三元磷共晶、二元磷共晶-碳化物复合物和三元磷共晶-碳化物复合物四种。b.分布形状：有孤立块状、均匀分布、断续网状和连续网状四种。c.体积分数()；分1(磷1)、2(磷2)、4(磷4)、6(磷6)、8(磷8)和10(磷10)六级。共晶团数量(见表9.2-9)2) 测试方法试样的制取 根据GBT 7216-1988标准的要求，金相试样一般取自3

41、0mm单铸拉伸试棒。试样磨面距试棒端部至少10mm。不允许直接从浇口或冒口上切取金相试样。切割试样时，应注意保证不破坏基体组织。在制备金相试样时，应防止石墨剥落、污染和曳尾。试样表面应光洁、无划痕、无氧化层。视场的选择a.试样的受检位置主要是在相当于试棒半径的12处。在进行显微观察时，应首先通观整个受检面，然后按大多数视场所显示的图像，对照级别图进行评定。b.视场面积为70mm圆面积。在评定石量分布形状、石墨长度、珠光体数量、碳化物数量、磷共晶分布和数量时，选用的放大倍数为100倍。在评定珠光体片间距、碳化物分布形状、磷共晶类型时，选用的放大倍数为500倍。评定石墨分布和长度时的注意事项a.在

42、评定石墨分布形状时，若视场中存在几种不同形状的石墨，则应分别注明每种石墨的相对含量。b.在评定石墨长度时，应选择有代表性的视场，一般以其中最长的三条石墨长度的平均值作为该视场的石墨长度。单条石墨长度是指石墨两端点的直线距离。评定石墨长度时，被测试的视场不少于3个。同时，同一试样有不同类型的石墨碳的长度时应分别评定。侵蚀剂的选择 在显示基体组织时，一般采用硝酸酒精溶液(2+98)(4+96)。鉴别磷共晶和碳化物的染色剂一般采用碱性高锰酸钾溶液或碱性赤血盐溶液，显示共晶团的侵蚀剂见表7.9-15。9.2.5 球墨铸铁在铸铁中，当石墨呈球状时，石墨对金属基体连续性的破坏作用最小。同时，球状石墨不像片

43、状石墨那样给基体造成应力集中现象。这就使得球墨铸铁比灰铸铁具有高得多的强度、塑性和韧性。表7.9-15 灰铸铁共晶团侵蚀剂序号成 分1氯化铜1g，氯化镁4g，少量水溶解，盐酸2mL，酒精 100mL2硫酸铜4g，盐酸20mL，水20mL3氯化铜3g，氯化铁1.5g，硝酸2mL，盐酸2mL，酒精 100mL(1) 球墨铸铁的牌号球墨铸铁的牌号是按其所具有的性能指标划分的。获得球墨铸铁的主要手段是球化处理和孕育处理。合金化和热处理是进一步提高球墨铸铁性能的重要措施。国家标准GBT13481988球墨铸铁件按试块形式(单铸和附铸)将球墨铸铁的牌号分成两个类别。单铸的牌号见表7.9-16。附铸的牌号见

44、表7.9-17。表7.9-16 单铸试块的球墨铸铁牌号牌号抗拉强度Rm /MPa伸长率A（%）主要金相组织QT400-1840018铁素体QT400-1540015铁素体QT450-1045010铁素体QT500-75007铁素体+珠光体QT600-36003珠光体十铁素体QT700-27002珠光体QT800-28002珠光体或回火组织QT900-29002贝氏体或回火组织 表7.9-17 附铸试块球墨铸铁的牌号牌号铸件壁厚抗拉强度Rm /MPa伸长率A（%）主要金相组织QT400-18A>3060>60003903701812铁素体QT400-15A>3060>60

45、2003903701512铁素体QT500-7A>3060>6020045042075铁素体+珠光体QT600-3A>3060>6020060055031珠光体十铁素体QT700-2A>3060>6020070065021珠光体(2) 球墨铸铁的金相组织1)石墨及石墨球化率 球墨铸铁的显微组织特点是石墨呈球状。但在大多数球墨铸铁中，总伴有大量团状石墨。在使用稀土镁作球化剂的情况下，往往会出现较多的团絮状石墨，甚至还有少量蠕虫状石墨。石墨球化率是指石墨球化的程度，它是对视场内所有石墨进行综合评价的结果。可采取以下方法计算石墨球化率； 确定视场内各种石墨的球状修

46、正系数 国家标准GBT 94411988球墨铸铁金相检验对各种石墨形态所规定的球状修正系数见表7.9-18。 表7.9-18 石墨形态及其球状修正系数石墨形态球状团状团絮状蠕虫状蠕虫状片状石墨面积率0.810.800.610.600.410.400.210.20球状修正系数1.00.80.60.30 计算石墨球化率 根据视场内各种石墨的数量及各种石墨的球状修正系数，按下式计算球化率SG 式中n1.0、n0.8、n0.6、n0.3、n0分别表示表9.2-13中五种球状修正系数的石墨颗数。石墨球化率是影响球墨铸铁力学性能的主要因素。 球化分级 在检测球墨铸铁的球化率时，为简便起见，通常采用评定球化

47、级别的方法来代替球化率的计算。球化分级是根据视场内各种石墨的相对数量及球化率的高低来划分的。国家标准将球墨铸铁的球化级别分为6级，见表7.9-19。 表7.9-19球化分级球化等级各种石墨的分布情况球化率（%）1石墨呈球状，少量团状，允许极少量团絮状952石墨大部分呈球状，余为团状和极少量团絮状90953石墨大部分呈团状和球状，余为团絮状，允许有极少量蠕虫状80904石墨大部分呈团絮状和团状，余为球状和少量蠕虫状70805石墨呈分散分布的蠕虫状和球状、团状、团絮状60706石墨呈聚集分布的蠕虫状和片状，余为球状、团状、团絮状不规定2)珠光体分布特征 球墨铸铁的珠光体一般呈片状。在放大500倍下

48、，按照珠光体中铁素体和渗碳体片的粗细，可分为粗片状珠光体(铁素体、渗碳体片间距较大)，片状珠光体(铁素体、渗碳体片间距较小，但明显可辨)、细片状珠光体(铁素体、渗碳体片间距难以分辨)。3)铁素体分布特征牛眼状铁素体 一般出现在铸态或完全奥氏体化正火条件下(正火温度在Ac3以上)。块状铁素体 般是经过不完全奥氏体化正火而形成的(正火温度在Ac1与Ac3之间)。网状铁素体 这种铁素体一般是经过二阶段正火而形成的(先加热至Ac3以上，然后炉冷至Ar1与Ar3之间)。4)磷共晶形态 按照磷共晶的形态特征，可将其分为二元磷共晶、三元磷共晶、二元磷共晶-渗碳体复合物和三元磷共晶-渗碳体复合物四种，其形态特

49、征与表9.2-8所述相同，有时还会出现块状游离态磷化铁。5)渗碳体的形态 按照渗碳体的形态特征，可将其分为条状，块状、网状、莱氏体型和针状渗碳体，其形态特征与表9.2-7相似。(3) 球墨铸铁金相测试要点1)国家标准规定的主要测试项目 国家标准GBT 94411988(球墨铸铁金相检验)规定了铸态和正、退火态球墨铸铁的金相检验，其检验项目如下：石墨a.球化级别：分1级(石墨呈球状，少量团状，允许极少量团絮状，球化率不低于95)，2级(石墨大部分呈球状，余为团状和极少量团絮状，球化率9095)、3级(石墨大部分呈团状和球状、余为团絮状，允许有极少量蠕虫状，球化率8090)、4级(石墨大部分呈团絮

50、状和团状，余为球状和少量蠕虫状，球化率7080)、5级(石墨呈分散分布的蠕虫状和球状、团状、团絮状，球化率6070)和6级(石墨呈聚集分布的蠕虫状和片状及球状、团状、团絮状)等6个级别。b.石墨大小：按石墨直径(mm)分3级(>2550)、4级(>1225)、5级(>612)、6级(>36)，7级(>1.53)和8级(1.5)6个级别。 珠光体a.按珠光体的粗细可分为：粗片珠光体、片状珠光体和细片状珠光体3级。b.体积分数()：分为>90(珠95)、>8090 (珠85)，>7080(珠75)，>6070(珠65)、>5060 (珠5

51、5)、>4050(珠45)、>3040(珠35)、25(珠25)、20(珠20)、15(珠15)、10(珠l0)和5(珠5)12级。 分散铁素体的数量()： 分5(铁5)，10 (铁10)、15(铁15)、20(铁20)、25(铁25)和30(铁30)6级。 磷共晶数量 按其体积分数()分为：0.5(磷0.5)，1.0(磷1.0)、1.5(磷1.5)、2（磷2）、2.5（磷2.5）和3(磷3)6级。 渗碳体数量 按其体积分数()分为：1(渗1)、2(渗2)、3(渗3)，5(渗5)和10(渗10)5级。2)测试方法 试样的制取 金相试样一般取自供测试力学性能用的单铸试块或附铸试块。必

52、要时，也可在铸铁本体上截取。在截取金相试样过程中，应防止组织变化。在制备金相试样时，应防止石墨脱落、污染和曳尾。试样表面应光洁、无划痕。 视场的选择a.在测试石墨球化级别或球化率时，首先通观整个受检面，然后从差的视场开始，连续观察5个视场，以其中3个差的视场的多数作为评定依据。在测试石墨大小、珠光体数量、分散分布的铁素体数量时，应以大多数视场为评定依据。在测试磷共晶和渗碳体数量时，应以含量最多的视场评定。b.视场面积为70mm圆面积。测试时的放大倍数除珠光体粗细采用500倍外，其余项目采用100倍。 计算球化率的注意事项a.在计算石墨颗数时，被视场周界切割的石墨不应计入。在放大100倍下，少量

53、<2mm的石墨也不应计入。如果大部分石墨<2mm或12mm，则应参照表7.9-20调整放大倍数。视场内的石墨一般不得少于20颗。 表7.9-20 石墨尺寸及选择的放大倍数100倍下石墨直径/mm12.525612.53.06.01.53.01.5选择放大倍数2550100200400b.球化率的计算一般仅用于对评定结果有争议或仲裁场合。在金相检验时，应采取对照标准图片的方法评定球化级别或球化率。c.在计算或评定球化率时，若视场内出现开花状、珊瑚状、碎块状之类的缺陷石墨时，则应在报告中另行注明这些石墨的名称、分布和数量。d.供鉴别渗碳体和磷共晶的染色侵蚀剂一般采用碱性高锰酸钾溶液或碱性赤血盐溶液。(4)球墨铸铁几种常见的铸造缺陷球化不良和球化衰退 球化不良和球化衰退的曼徽组织特征是除球状石墨外，出现较多蠕虫状石墨。产生球化不良的原因是铁水含硫量过高，球化剂残余量不足或铁水氧化。产生球化衰退的原因是经球化处理的铁水随着时间的延长，铁水中球化剂的残余量逐渐减少，以至不能起到球化的作用。球化不良和球化衰退的球墨铸铁铸件只能报废。.石墨飘浮 石墨飘浮的金相组织特征是石墨大量聚集，往往出现开花状。常见于铸件的上表面或泥芯的下表面。形成原因主要是碳当量过高以及铁水在高温液态时停留时间过长。因此，在壁厚较大的铸件