铸铁及其熔炼1-5章

1、School of Materials Science and Engineering铸铁及其熔炼第一章第一章 铸铁的结晶及组织的形成铸铁的结晶及组织的形成河南科技大学材料科学与工程学院河南科技大学材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering第一节 铁-碳及铁-碳-硅相图一一. . 铁铁- -碳相图的二重性碳相图的二重性 Fe-CFe-C合金中的碳有渗碳体合金中的碳有渗碳体FeFe3 3C C和石墨两种存在形式。在通常情况下，和石墨两种存在形式。在通常情况下，碳以碳以FeFe3 3C C的形式存在，即的形式存在，即Fe-CFe-C合金

2、按合金按Fe-FeFe-Fe3 3C C系转变。但系转变。但FeFe3 3C C是一亚稳相，是一亚稳相，在一定条件下分解为铁和石墨，所以石墨是碳存在的更稳定状态。这样在一定条件下分解为铁和石墨，所以石墨是碳存在的更稳定状态。这样Fe-Fe-C C相图就有相图就有Fe-FeFe-Fe3 3C C和和Fe-GFe-G两种形式。两种形式。School of Materials Science and Engineering 二. 铁-碳双重相图及其分析图图1-1 Fe-C双重相图双重相图School of Materials Science and Engineering1. 铁铁- -碳相图各临界

3、点的意义、温度及成分碳相图各临界点的意义、温度及成分点点意义意义温度温度()碳量碳量(wt%)点点意义意义温度温度()碳量碳量(wt%)A纯铁的熔点纯铁的熔点15360.00H碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度14930.086B包晶转变时液态合金的成分包晶转变时液态合金的成分14930.53J包晶点包晶点14930.16C共晶点共晶点11474.30K渗碳体的成分渗碳体的成分7276.689C11534.26K7366.689D渗碳体的熔点渗碳体的熔点12526.689N-Fe-Fe转变温度转变温度13920.00D4000100P碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度7270.

4、034E碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度11472.14P7360.032E11532.10Q0时碳在时碳在-Fe中的溶解度中的溶解度00.00F渗碳体的成分渗碳体的成分11476.689S共析点共析点7270.76F11536.689S7360.69G-Fe-Fe转变温度转变温度9110.00School of Materials Science and Engineering2. 铁铁- -碳相图上的三个基本反应碳相图上的三个基本反应 在在HJB线温度发生包晶反应：线温度发生包晶反应：LB+H J 在在ECF线温度发生共晶反应：线温度发生共晶反应：LC E +Fe3C 在在PSK

5、线温度发生共析反应线温度发生共析反应:S P+Fe3C3. 铁铁- -碳相图上的几条线的含义碳相图上的几条线的含义 GS线（线（A3线）：奥氏体中开始析出铁素体或铁素体全部溶入奥氏体线）：奥氏体中开始析出铁素体或铁素体全部溶入奥氏体的转变线。的转变线。 ES线（线（Acm线）：碳在奥氏体中的溶解度曲线。线）：碳在奥氏体中的溶解度曲线。 PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线。线：碳在铁素体中的溶解度曲线。School of Materials Science and Engineering4. Fe-G和和Fe-Fe3C相图的比较相图的比较 共析点的成分及温度不同共析点的成分及温度不同 S (0.6

6、9%C) P +G S (0.76%C) P+Fe3C 总体来讲：稳定平衡的铁总体来讲：稳定平衡的铁-碳相图中的共晶和共析转变温度比介稳定碳相图中的共晶和共析转变温度比介稳定平衡的高一些；在共晶温度时，和石墨平衡的奥氏体中含碳量比和渗碳平衡的高一些；在共晶温度时，和石墨平衡的奥氏体中含碳量比和渗碳体平衡的奥氏体中的含碳量要低一些。体平衡的奥氏体中的含碳量要低一些。 实际问题：实际问题：成分相同的铁液，浇注不同壁厚的铸件或用冷速不同的铸成分相同的铁液，浇注不同壁厚的铸件或用冷速不同的铸型，会得到灰口或白口断面的铸件。用铁型，会得到灰口或白口断面的铸件。用铁-碳相图的二重性进行解释。碳相图的二重性

7、进行解释。 共晶点的成分及温度不同共晶点的成分及温度不同 LC (4.26%C) E (2.10%C)+G LC (4.30%C) E (2.14%C)+Fe3CSchool of Materials Science and Engineering5. Fe-C相图的应用相图的应用 铸造工艺方面：根据相图确定合金的浇注温度，一般在液相线以上铸造工艺方面：根据相图确定合金的浇注温度，一般在液相线以上50-100 。共晶成分附近合金的流动性好，分散缩孔少，可获得致密铸。共晶成分附近合金的流动性好，分散缩孔少，可获得致密铸件。件。 热锻和热轧方面：钢处于奥氏体状态时强度较低，塑性较好，因此热锻和热轧

8、方面：钢处于奥氏体状态时强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制选在单相奥氏体区进行。一般始锻或始轧温度控制在固相线以锻造或轧制选在单相奥氏体区进行。一般始锻或始轧温度控制在固相线以下下100-200 。 热处理方面：一些热处理工艺如退火，正火，淬火的加热温度都热处理方面：一些热处理工艺如退火，正火，淬火的加热温度都是依据相图确定的。是依据相图确定的。注意：注意： Fe-C相图只反映相图只反映铁碳二元合金铁碳二元合金中相的中相的平衡状态平衡状态，如含有其他元，如含有其他元素，相图将发生变化；素，相图将发生变化；Fe-C相图反映的是相图反映的是平衡条件下平衡条件下铁碳合金中相的状态，铁碳合金中相的状态

9、，若冷却或加热速度较快时，其组织转变就不能只用相图进行分析了。若冷却或加热速度较快时，其组织转变就不能只用相图进行分析了。School of Materials Science and Engineering三.铁-碳-硅准二元相图 图图1-2 Fe-C-Si合金相图的垂直截面合金相图的垂直截面 a）Wsi=2.4% b） Wsi=4.8% c）Wsi=6.0% School of Materials Science and Engineering1.相图分析相图分析 图中存在四个单相区、七个两相区和三个三相区。图中存在四个单相区、七个两相区和三个三相区。2.硅对相图的影响硅对相图的影响 铸铁

10、中除铸铁中除Fe、C之外，还有之外，还有Si、Mn、S、P等多种元素，它们也对铸等多种元素，它们也对铸铁的结晶和组织产生影响，特别是铁的结晶和组织产生影响，特别是Si的含量较多时，影响较大。的含量较多时，影响较大。 硅使共晶点和共析点左移，即减小共晶和共析含碳量，其中对共晶硅使共晶点和共析点左移，即减小共晶和共析含碳量，其中对共晶含碳量影响较显著。含碳量影响较显著。 硅略微提高共晶和共析转变温度，并使转变在一个温度区间中进硅略微提高共晶和共析转变温度，并使转变在一个温度区间中进行，对共析转变温度范围的作用更为显著。行，对共析转变温度范围的作用更为显著。 硅的加入，使相图出现了共晶和共析转变的三

11、相共存区。硅的加入，使相图出现了共晶和共析转变的三相共存区。 随着硅含量的增加，相图上的奥氏体区逐渐缩小。随着硅含量的增加，相图上的奥氏体区逐渐缩小。School of Materials Science and Engineering四.铸铁中常见元素对铁-碳相图上各临界点的影响五.碳当量和共晶度的意义1.1.碳当量：根据各元素对共晶点实际碳量的影响，将这些元素的量折碳当量：根据各元素对共晶点实际碳量的影响，将这些元素的量折算成碳量的增减，称之碳当量。以算成碳量的增减，称之碳当量。以CECE表示，一般只考虑表示，一般只考虑SiSi和和P P。CE=C+1/3CE=C+1/3（Si+PSi+P

12、）2. 2. 共晶度：铸铁的实际含碳量和共晶点实际含碳量的比值。以共晶度：铸铁的实际含碳量和共晶点实际含碳量的比值。以ScSc来表来表示。示。S SC C=C=C铁铁/C/Cc c 对于铁对于铁- -石墨系来讲：石墨系来讲： Si Si、NiNi、CuCu、AlAl等提高共晶转变温度；等提高共晶转变温度； Si Si、S S、P P、CrCr、V V、TiTi、AlAl、MoMo、W W等提高共析转变温度；等提高共析转变温度； 其他元素的影响见表其他元素的影响见表1-21-2。School of Materials Science and Engineering第二节 灰口铸铁的一次结晶 灰口

13、铸铁是铁液以奥氏体灰口铸铁是铁液以奥氏体-石墨共晶方式结晶而生成的组织。当铸铁石墨共晶方式结晶而生成的组织。当铸铁的成分分别为亚共晶和过共晶时，在发生共晶转变之前分别先结晶出初的成分分别为亚共晶和过共晶时，在发生共晶转变之前分别先结晶出初生奥氏体和初生石墨。生奥氏体和初生石墨。一.初生奥氏体的结晶初生奥氏体的结晶1. 1. 结晶过程热力学结晶过程热力学 成分为成分为X X的亚共晶铁液在的亚共晶铁液在T T1 1温度开始温度开始结晶出初生结晶出初生，其结晶热力学驱动力为，其结晶热力学驱动力为G G。初生初生析出导致剩余铁液中碳量增析出导致剩余铁液中碳量增多。增碳首先在多。增碳首先在的表面进行，此

14、处铁液的表面进行，此处铁液成分接近平衡成分成分接近平衡成分XaXa，远处仍维持，远处仍维持X,X,浓度浓度差使得碳原子由差使得碳原子由表面附近向远处扩散，表面附近向远处扩散，这样使这样使的析出过程得以继续进行。当温的析出过程得以继续进行。当温度一定时，度一定时，析出直到全部铁液浓度为析出直到全部铁液浓度为XaXa为止。为止。图图1-3 亚共晶铸铁中析出初生亚共晶铸铁中析出初生 奥氏体时的自由能变化奥氏体时的自由能变化School of Materials Science and Engineering2. 2. 初生奥氏体枝晶的凝固过程初生奥氏体枝晶的凝固过程 在液相线温度以上，铁液处于全液态

15、。当铁液冷却到液相线温度以下在液相线温度以上，铁液处于全液态。当铁液冷却到液相线温度以下时，时，枝晶便开始析出并长大，温度继续降低，当达到共晶温度，液体中枝晶便开始析出并长大，温度继续降低，当达到共晶温度，液体中开始形成共晶团，此时初生开始形成共晶团，此时初生继续长大，数量也有所增加。继续长大，数量也有所增加。图图1-4 普通灰铸铁的液淬组织普通灰铸铁的液淬组织a）初生奥氏体生长初期）初生奥氏体生长初期b）初生奥氏体长大，进入共晶阶段）初生奥氏体长大，进入共晶阶段a）b）School of Materials Science and Engineering3. 3. 初生奥氏体的形态初生奥氏体

16、的形态 具有具有fccfcc结构，在结晶过程中常发展为树枝状分叉形态，分叉程度结构，在结晶过程中常发展为树枝状分叉形态，分叉程度与冷速有关。随着铁液冷速增加，分叉程度有所发展。这是由于冷速较快与冷速有关。随着铁液冷速增加，分叉程度有所发展。这是由于冷速较快时，时，析出过程中，晶体表面附近铁液中的碳原子来不及向远处扩散，因析出过程中，晶体表面附近铁液中的碳原子来不及向远处扩散，因而使得而使得一次晶轴的长大受到限制，并会促使二次或高次晶轴的生成。由一次晶轴的长大受到限制，并会促使二次或高次晶轴的生成。由于具有不同原子排列的各个晶面上表面张力相差不大，因此初生于具有不同原子排列的各个晶面上表面张力相

17、差不大，因此初生树枝晶树枝晶的横截面接近于圆形。的横截面接近于圆形。4. 4. 奥氏体枝晶中的成分偏析奥氏体枝晶中的成分偏析 枝晶中的化学成分不均匀性是由凝固过程所决定的。先析出的枝晶中的化学成分不均匀性是由凝固过程所决定的。先析出的枝枝晶心部碳含量较低，在逐渐长大以后各层晶心部碳含量较低，在逐渐长大以后各层中的碳量沿中的碳量沿JEJE线变化，即碳线变化，即碳含量逐渐增加，形成芯状组织。含量逐渐增加，形成芯状组织。 相间偏析相间偏析 分配系数：分配系数：Kp=元素在元素在中的浓度中的浓度/ /元素在铁液中的平均浓度元素在铁液中的平均浓度School of Materials Science a

18、nd Engineering 晶内偏析晶内偏析 偏析系数：偏析系数： Kl=元素在元素在枝晶心部的浓度枝晶心部的浓度/ /元素在元素在边缘的浓度边缘的浓度 与碳亲和力小的石墨化元素（与碳亲和力小的石墨化元素（AlAl、SiSi、CuCu、NiNi、CoCo）在）在中有富集，中有富集，使使Kp1 1， Kl 1 1，形成晶内反偏析。与碳亲和力大的白口化元素（，形成晶内反偏析。与碳亲和力大的白口化元素（MnMn、CrCr、W W、MoMo、V V）在共晶液中有富集，使得）在共晶液中有富集，使得Kp1 1， Kl 1 1，形成晶内正偏，形成晶内正偏析。析。5. 5. 影响奥氏体枝晶数量及粗细的因素影

19、响奥氏体枝晶数量及粗细的因素 合金元素的影响合金元素的影响 a. V a. V、MoMo增大共晶凝固过冷度并增大初生增大共晶凝固过冷度并增大初生生长区间，使生长区间，使枝晶的枝晶的分枝程度增加，促使二次枝晶生长，细化二次枝晶间距。分枝程度增加，促使二次枝晶生长，细化二次枝晶间距。 b. Al b. Al、NiNi减小共晶凝固过冷度并缩小初生减小共晶凝固过冷度并缩小初生生长区间，其中生长区间，其中NiNi促使促使形成分枝较少的短胖状形成分枝较少的短胖状，AlAl则形成细而短小无规则分布的则形成细而短小无规则分布的。 c. Cu c. Cu、TiTi、CrCr介于上述之间，介于上述之间，TiTi促

20、使促使枝晶的形成并细化枝晶，枝晶的形成并细化枝晶，CrCr则形成短小无方向性分布的则形成短小无方向性分布的。 d. V d. V和和TiTi同时加入，使枝晶数量增加，并细化枝晶。同时加入，使枝晶数量增加，并细化枝晶。 e e. S：使枝晶粗化。：使枝晶粗化。 School of Materials Science and Engineering Si/C比值的影响比值的影响 碳当量一定，碳当量一定，Si/C初生初生数量数量；当碳当量；当碳当量很高时，很高时，枝晶细化。枝晶细化。 冷却速度冷却速度的影响的影响 冷速冷速 枝晶数量枝晶数量，细化枝晶。这是由于冷速增加，使界面前沿，细化枝晶。这是由于

21、冷速增加，使界面前沿的热过冷增大，促使枝晶生长速率增加，枝晶臂间距缩小，因此，冷速会的热过冷增大，促使枝晶生长速率增加，枝晶臂间距缩小，因此，冷速会改变改变的分枝及细化程度。的分枝及细化程度。 热过冷热过冷：因纯金属的理论凝固温度是恒定的，凝固过程中过冷度完全：因纯金属的理论凝固温度是恒定的，凝固过程中过冷度完全取决于实际温度分布，即过冷度的大小和过冷区的形态是由传热所控制，取决于实际温度分布，即过冷度的大小和过冷区的形态是由传热所控制，这种过冷称为热过冷。这种过冷称为热过冷。6 6. . 初生奥氏体的显示方法初生奥氏体的显示方法 常用的有热处理法和着色法。常用的有热处理法和着色法。Schoo

22、l of Materials Science and Engineering二.初生石墨的结晶初生石墨的结晶 1. 1. 结晶过程热力学结晶过程热力学 过共晶铁液过冷至液相线过共晶铁液过冷至液相线C C D D 以以下时，从铁液中析出初生石墨。成分下时，从铁液中析出初生石墨。成分为为X X的过冷铁液的自由能要比成分为的过冷铁液的自由能要比成分为XaXa的铁液与石墨两相平衡混合体的自由的铁液与石墨两相平衡混合体的自由能高能高G G，这就是初生石墨结晶的热力这就是初生石墨结晶的热力学驱动力。学驱动力。图图1-5 过共晶铸铁中析出初生过共晶铸铁中析出初生 石墨时的自由能变化石墨时的自由能变化Scho

23、ol of Materials Science and Engineering2. 2. 初生石墨的形态初生石墨的形态 石墨具有六方晶格结构，基面石墨具有六方晶格结构，基面（00010001）上碳原子以共价键联结，结合）上碳原子以共价键联结，结合力较强，基面之间以极性键联结，结合力较强，基面之间以极性键联结，结合力较弱，导致沿不同晶面石墨的生长速力较弱，导致沿不同晶面石墨的生长速率不同，使其容易沿率不同，使其容易沿a a向生长为片状。向生长为片状。 初生石墨是在铁液中直接析出，铁初生石墨是在铁液中直接析出，铁液中的碳原子从各个方向以相等的几率液中的碳原子从各个方向以相等的几率扩散到石墨晶核处而

24、使石墨晶体长大，扩散到石墨晶核处而使石墨晶体长大，因此石墨晶体的长大方式以及石墨形态因此石墨晶体的长大方式以及石墨形态完全受石墨晶体结构以及铁液与石墨完全受石墨晶体结构以及铁液与石墨之之间的界面能所决定。间的界面能所决定。图图1-6 石墨的晶体结构石墨的晶体结构School of Materials Science and Engineering 从晶体生长理论出发，石墨沿基面（从晶体生长理论出发，石墨沿基面（a向）生长是占优势的。因为向）生长是占优势的。因为在棱柱面的方向上存在着强的未饱和的键，在这些面生长时不需要再形在棱柱面的方向上存在着强的未饱和的键，在这些面生长时不需要再形核，铁液中的

25、碳原子能直接地结合到未饱和的键上去。核，铁液中的碳原子能直接地结合到未饱和的键上去。 从界面张力方面考虑，由于石墨晶体结构的不对称性，使得铁液从界面张力方面考虑，由于石墨晶体结构的不对称性，使得铁液-棱柱面与铁液棱柱面与铁液-基面间的界面张力不同。在纯净的铁液中，前者大于后者，基面间的界面张力不同。在纯净的铁液中，前者大于后者，使得石墨沿使得石墨沿a向生长时，所受到界面张力的约束作用比沿向生长时，所受到界面张力的约束作用比沿c向生长时要大得向生长时要大得多，因此，石墨主要沿多，因此，石墨主要沿c向生长。向生长。 铁液中的杂质元素（特别是铁液中的杂质元素（特别是S）对石墨的生长方式有重要的影响。

26、）对石墨的生长方式有重要的影响。S是表面活性元素，在石墨晶体表面上进行选择性吸附，优先吸附在棱面是表面活性元素，在石墨晶体表面上进行选择性吸附，优先吸附在棱面上，从而大大降低了铁液上，从而大大降低了铁液-棱面之间的界面能，促使石墨沿棱面之间的界面能，促使石墨沿a向生长。向生长。 铁液中含有强力脱硫的元素（铁液中含有强力脱硫的元素（Mg、Ce）时，消除了）时，消除了S的表面吸附作的表面吸附作用，使石墨沿用，使石墨沿c向生长。向生长。3. 3. 影响石墨形态的因素影响石墨形态的因素 石墨的晶体结构；石墨的晶体结构； 铁液铁液-石墨之间的界面能；石墨之间的界面能； 合金元素。合金元素。School

27、of Materials Science and Engineering三.奥氏体-石墨共晶石墨共晶图图1-7 共晶结晶中的自由能变化共晶结晶中的自由能变化 1. 1. 结晶过程热力学结晶过程热力学 灰口铸铁的共晶结晶是从铁液中同时析灰口铸铁的共晶结晶是从铁液中同时析出出和和G G晶体的过程。当铁液过冷至共晶线晶体的过程。当铁液过冷至共晶线E EC CF F以下的温度以下的温度T T1 1时，成分为时，成分为XcXc的铁的铁液对液对和和G G同时过饱和，铁液的自由能同时过饱和，铁液的自由能G GL L要比要比和和G G混合体的自由能高出混合体的自由能高出G G，这就是共晶这就是共晶结晶过程的热

28、力学驱动力。结晶过程的热力学驱动力。2. 2. 共晶转变过程共晶转变过程 当铁液过冷至共晶温度以下时，初生当铁液过冷至共晶温度以下时，初生间熔体的含碳量达到饱和，形成间熔体的含碳量达到饱和，形成G G，出现了石，出现了石墨墨/ /熔体界面。由于熔体界面。由于G G中碳含量很高，因此界中碳含量很高，因此界面上的碳含量将降低，从而析出共晶面上的碳含量将降低，从而析出共晶，使，使得共晶得共晶G G得以生长，最终形成得以生长，最终形成-G-G共晶。共晶。School of Materials Science and Engineering 亚共晶亚共晶HTHT图图1-8亚共晶灰铸铁共晶亚共晶灰铸铁共晶

29、转变期间的液淬组织转变期间的液淬组织图图1-9亚共晶灰铸铁共晶转变过程示意图亚共晶灰铸铁共晶转变过程示意图a）开始阶段）开始阶段 b）转变中期）转变中期 c）转变终了）转变终了 共晶体在初生共晶体在初生晶体附近具有共晶成分的液体中单独晶体附近具有共晶成分的液体中单独由石墨形核开由石墨形核开始。石墨为领先相，以每个石墨核心为中心形成一个始。石墨为领先相，以每个石墨核心为中心形成一个G- 两相共生生长两相共生生长的晶粒。凝固结束时，共晶团之间或共晶团和初生的晶粒。凝固结束时，共晶团之间或共晶团和初生枝晶相互衔接形成枝晶相互衔接形成整体。共晶凝固结束时，各共晶团内的整体。共晶凝固结束时，各共晶团内的

30、和初生和初生枝晶构成连续的金属枝晶构成连续的金属基体，共晶团内的基体，共晶团内的G G构成连续的分枝立体形状，分布于基构成连续的分枝立体形状，分布于基体体中中。School of Materials Science and Engineering 过共晶过共晶HTHT：凝固从析出初生：凝固从析出初生G G开始。达到共晶温度时，有一定程度开始。达到共晶温度时，有一定程度的过冷，进入共晶阶段。此时，共晶的过冷，进入共晶阶段。此时，共晶G G及共晶及共晶可在初生可在初生G G的基础上析出，的基础上析出，可见到共晶体和初生可见到共晶体和初生G G相连的组织特征。相连的组织特征。 与亚共晶与亚共晶HTH

31、T的不同是组织中有粗大的初生片状的不同是组织中有粗大的初生片状G G，共晶，共晶G G较多且细小。较多且细小。3. 3. 影响共晶团数量的因素影响共晶团数量的因素 化学成分化学成分 灰铸铁共晶团数决定于共晶转变时的成核及长大条件。灰铸铁共晶团数决定于共晶转变时的成核及长大条件。 碳当量越接近共晶成分，共晶团数则越多。碳当量越接近共晶成分，共晶团数则越多。S是影响灰铸铁共晶团的是影响灰铸铁共晶团的另一重要元素，低的含硫量对提高共晶团不利，因为铁液中的硫化物是石另一重要元素，低的含硫量对提高共晶团不利，因为铁液中的硫化物是石墨核心的重要物质，此外硫可降低异质核心与熔体之间的界面能，使更多墨核心的重

32、要物质，此外硫可降低异质核心与熔体之间的界面能，使更多的核心的核心得到得到活化，当活化，当w(S)0.03时，共晶团数显著减少，孕育的效果降时，共晶团数显著减少，孕育的效果降低；低；Mn的质量分数在的质量分数在2.0以内时，以内时，Mn量增多，共晶团数随之提高。量增多，共晶团数随之提高。 铁液的核心状态铁液的核心状态 保持长时间高温过热会引起原有核心消失或减少，使共晶团数减少、保持长时间高温过热会引起原有核心消失或减少，使共晶团数减少、直径变大。孕育处理可大大改善核心状态从而增加共晶团数量。直径变大。孕育处理可大大改善核心状态从而增加共晶团数量。School of Materials Scie

33、nce and Engineering4. 4. 片状片状G G的形成过程的形成过程 石墨晶体呈六方晶格结构，从晶体学理论看，石墨晶体呈六方晶格结构，从晶体学理论看，G G的正常生长方式应是的正常生长方式应是沿基面（沿基面（00010001）的择优生长，最后形成片状。但实际条件下，由于）的择优生长，最后形成片状。但实际条件下，由于G G的晶的晶体缺陷及熔体中的杂质等而成多种形态。体缺陷及熔体中的杂质等而成多种形态。 形成条件形成条件 a. a. 螺位错台阶：即沿螺位错台阶：即沿a a向，又沿向，又沿c c向生长，最后长成具有一定厚度的向生长，最后长成具有一定厚度的片状石墨。片状石墨。 b. b

34、. 旋转晶界：取决于旋转晶界：取决于Va/VcVa/Vc。普通。普通HTHT中中G G呈片状，这是由于呈片状，这是由于O O、S S等活等活性元素在性元素在G G棱面上的吸附，使这个原本光滑的界面变得粗糙，只需小的过棱面上的吸附，使这个原本光滑的界面变得粗糙，只需小的过冷即沿冷即沿a a向生长，使向生长，使VaVaVcVc，长成片状石墨。，长成片状石墨。 冷却速度冷却速度 冷却速度对共晶团数的影响十分明显，冷却越快，共晶团数量越多。冷却速度对共晶团数的影响十分明显，冷却越快，共晶团数量越多。 共晶团数的多少直接反应共晶晶粒的粗细。按一般原则，细的晶粒可共晶团数的多少直接反应共晶晶粒的粗细。按一

35、般原则，细的晶粒可提高金属的性能。提高金属的性能。School of Materials Science and Engineering 片状片状G G的类型的类型 根据形成条件及铁液成分不同有根据形成条件及铁液成分不同有A-FA-F六种类型。见六种类型。见P18P18表表1-81-8。5. 5. 球状球状G G的形成过程的形成过程 球状球状G G的结构的结构 多晶体结构，从核心向外呈辐射状生长。多晶体结构，从核心向外呈辐射状生长。 球状球状G G的形成条件的形成条件 两个必要条件：铁液凝固时必须具有较大的过冷度和较大的铁液两个必要条件：铁液凝固时必须具有较大的过冷度和较大的铁液-G-G间间的

36、界面张力。的界面张力。图图1-10 球状石墨的结构球状石墨的结构School of Materials Science and Engineering 加入球化剂，满足第一个条件，同时球化剂与铁液中的表面活性元素加入球化剂，满足第一个条件，同时球化剂与铁液中的表面活性元素O O、S S反应，使铁液中反应，使铁液中O O、S S含量降低，使铁液的表面张力增加，同时也使得含量降低，使铁液的表面张力增加，同时也使得铁液铁液-G-G间的界面张力增加，满足第二个条件。间的界面张力增加，满足第二个条件。 对球化剂的要求对球化剂的要求 a. a. 与与O O、S S亲和力大；亲和力大； b. b. 在铁液中

37、的溶解度低；在铁液中的溶解度低； c. c. 与碳有一定的亲和力，在与碳有一定的亲和力，在G G晶格中有低的溶解度。晶格中有低的溶解度。 球状球状G G的形成机理的形成机理 a. a. 石墨晶核的产生：外来杂质微粒。石墨晶核的产生：外来杂质微粒。 b. b. 球状石墨的长大：螺位错占主导。球状石墨的长大：螺位错占主导。 c. c. 球化元素的作用：去除球化元素的作用：去除O O、S S等对等对G G球化的干扰。球化的干扰。6. 6. 蠕虫状蠕虫状G G的形成过程的形成过程 在共晶凝固过程中从铁液中直接析出的，最初形态呈小球状或聚集在共晶凝固过程中从铁液中直接析出的，最初形态呈小球状或聚集状，经

38、过畸变，透过没有奥氏体包围的长出口，在与铁液直接接触的条件状，经过畸变，透过没有奥氏体包围的长出口，在与铁液直接接触的条件下而形成的。下而形成的。School of Materials Science and Engineering四四. .亚稳系的共晶转变过程亚稳系的共晶转变过程 当铸铁的化学成分和冷速变化时，铸铁的凝固现象也发生变化。即共当铸铁的化学成分和冷速变化时，铸铁的凝固现象也发生变化。即共晶转变进入亚稳区，使三相平衡晶转变进入亚稳区，使三相平衡L-L-G-G转变为转变为L- L- -Fe-Fe3 3C C。共晶组织为。共晶组织为+Fe+Fe3 3C C。五五. .磷共晶的形成磷共晶

39、的形成School of Materials Science and Engineering第三节 铸铁的二次结晶 经共晶转变之后，铸铁已完全凝固，在进一步冷却中，铸铁组织的经共晶转变之后，铸铁已完全凝固，在进一步冷却中，铸铁组织的变化主要来自共晶温度与共析温度之间发生的奥氏体中碳的脱溶（析出变化主要来自共晶温度与共析温度之间发生的奥氏体中碳的脱溶（析出二次高碳相）过程以及共析转变过程。二次高碳相）过程以及共析转变过程。一一. .奥氏体中碳的脱溶奥氏体中碳的脱溶1. 1. 灰口铸铁：灰口铸铁： Si% Si%（缓冷）（缓冷）奥氏体中奥氏体中C%沿沿ES线线 二次二次G 生长在初生生长在初生G或

40、共晶或共晶G上，使原有上，使原有G增厚，但不改变其形态。增厚，但不改变其形态。2. 白口铸铁白口铸铁 Si%Si%（急冷至介稳定平衡线以下）（急冷至介稳定平衡线以下） 二次二次FeFe3 3C C 一层一层地生长一层一层地生长在初生在初生FeFe3 3C C或共晶或共晶FeFe3 3C C表面，使其增厚，随着冷速进一步增大表面，使其增厚，随着冷速进一步增大在奥氏体在奥氏体相内部通过相内部通过FeFe3 3C C形核和生长方式而独立析出二次形核和生长方式而独立析出二次FeFe3 3C C。School of Materials Science and Engineering二二. .铸铁的共析转

41、变铸铁的共析转变1. HT1. HT中的共析转变中的共析转变 转变过程热力学转变过程热力学图图1-11 奥氏体转变的热力学曲线奥氏体转变的热力学曲线 转变类型转变类型 +G或或+ FeFe3 3C C 即通过奥即通过奥氏体晶格改组及溶解在奥氏体中的碳原子氏体晶格改组及溶解在奥氏体中的碳原子在相间扩散和重新分布而实现的。在相间扩散和重新分布而实现的。 当当T TpspsT T1 1 T Tpsps时，时，+G； 当当T T2 2 T Tpsps时，既可按时，既可按+G又可又可按按+ FeFe3 3C C 进行转变，其中后者较多。进行转变，其中后者较多。 影响因素影响因素 a. a. SiSi：强

42、烈促进铸铁石墨化的元素，使其按：强烈促进铸铁石墨化的元素，使其按+G进行转变。进行转变。 这是由于硅促进奥氏体分解，使这是由于硅促进奥氏体分解，使+G，需要大量碳原子扩散及铁，需要大量碳原子扩散及铁的自扩散，因此，比的自扩散，因此，比+ FeFe3 3C C需要的时间长。而硅能够增大共析转变需要的时间长。而硅能够增大共析转变的温度区间，延长共析分解时间，促使的温度区间，延长共析分解时间，促使+G。School of Materials Science and Engineering b. b. 共析转变前已存在的共析转变前已存在的G G：在靠近：在靠近G G的奥氏体部分易将过饱和的碳分的奥氏体

43、部分易将过饱和的碳分析出在已有的析出在已有的G G上，可免于重新形核，使上，可免于重新形核，使+G易于实现。易于实现。 c. 冷却速度：若冷却速度：若Si%较高，且冷速较低，基体为较高，且冷速较低，基体为，即转变按，即转变按+G进行；若进行；若Si%适中，冷速较大，即共析转变时间缩短，基体适中，冷速较大，即共析转变时间缩短，基体为为P，即转变按，即转变按+ FeFe3 3C C 进行；若进行；若Si%较高，冷速适中，基体为较高，冷速适中，基体为+ P，即转变按两种方式进行。，即转变按两种方式进行。2 2. HT. HT中的中低温转变中的中低温转变图图1-12 过冷奥氏体等温转变曲线过冷奥氏体等

44、温转变曲线School of Materials Science and Engineering 将将HTHT加热到奥氏体区温度，然后快速冷却，可得到不同基体的铸铁。加热到奥氏体区温度，然后快速冷却，可得到不同基体的铸铁。 中温区：加热快冷至贝氏体区温度（中温区：加热快冷至贝氏体区温度（450450-250-250），奥氏体等温分），奥氏体等温分解为贝氏体（含碳过量的解为贝氏体（含碳过量的+ 细小细小FeFe3 3C C）。）。 a. a. 上贝氏体区（上贝氏体区（350350-450 -450 ）：分解为）：分解为B上上（羽毛状），即大片（羽毛状），即大片 汇汇集的区域为呈密排的极薄集的区域

45、为呈密排的极薄FeFe3 3C C 片群包围。片群包围。 b. b. 下贝氏体区（下贝氏体区（250-350 250-350 ）：）：分解为分解为B下下（针状），即（针状），即中析出微中析出微细细针针状碳化物。状碳化物。图图1-13 贝氏体形成过程示意图贝氏体形成过程示意图School of Materials Science and Engineering 低温区：加热快冷至低温区：加热快冷至230 以下，进行无扩散转变生成以下，进行无扩散转变生成M M，其实质，其实质为过饱和的为过饱和的固溶体。固溶体。图图1-14 贝氏体显微组织贝氏体显微组织a） 上贝氏体上贝氏体 b）下贝氏体）下贝氏体

46、a）b）School of Materials Science and Engineering3. 3. 白口铸铁中的共析转变白口铸铁中的共析转变+ Fe3C图图1-15 珠光体形成过程示意图珠光体形成过程示意图 形核：在奥氏体的晶界处开始形核形核：在奥氏体的晶界处开始形核Fe3C析出析出邻近奥氏体中邻近奥氏体中C% 碳原子的界面扩散碳原子的界面扩散第二相第二相的析出的析出形成形成+ Fe3C。 School of Materials Science and Engineering 长大：长大： Fe3C或或从奥氏体界面上并向奥氏体相内生成后，便开始从奥氏体界面上并向奥氏体相内生成后，便开始生

47、长。在生长。在Fe3C与与同时生长的过程中，各自的前沿有碳和铁的富集，生长同时生长的过程中，各自的前沿有碳和铁的富集，生长前沿产生溶质元素的交替扩散，使晶体生长。前沿产生溶质元素的交替扩散，使晶体生长。 a. 向前生长向前生长 b. 搭桥或分枝向侧面生长搭桥或分枝向侧面生长图图1-15 珠光体长大时碳的扩散珠光体长大时碳的扩散4. 4. 白口铸铁中的中低温转变（同白口铸铁中的中低温转变（同HT）School of Materials Science and Engineering第一节 灰铸铁金相组织和力学性能特点一一. . 灰铸铁金相组织特点灰铸铁金相组织特点 灰铸铁组织是由金属基体加片状石

48、墨组成的。石墨是灰铸铁中碳以游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。件所决定。1. 1. 片状石墨的分布类型及形成条件片状石墨的分布类型及形成条件图图2-1 A型石墨型石墨 均匀分布无方向性的片状石墨（均匀分布无方向性的片状石墨（A A型）型） 冷却速度较低的情况下形成的。存在于冷却速度较低的情况下形成的。存在

49、于石墨石墨- -奥氏体共晶团内，分布比较均匀。由于奥氏体共晶团内，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、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。共晶过冷度低时，片体粗大。School of Materials Science and Engineering图图2-2 B型石墨型石墨 菊花状石墨（菊花状石墨（B型）型） 冷速较大时形成的。共晶开始阶段，冷速较大时形成的。共晶开始阶段，G分枝多而密，随着共晶

50、转变中结晶潜热的释分枝多而密，随着共晶转变中结晶潜热的释放，外层放，外层G片沿热流方向伸展较长，随着热片沿热流方向伸展较长，随着热流方向性减弱，外围流方向性减弱，外围G生长进一步减缓而呈生长进一步减缓而呈蜷曲状。对基体的削弱作用大于蜷曲状。对基体的削弱作用大于A型型G。图图2-3 C型石墨型石墨 块片状石墨（块片状石墨（C型）型） 过共晶铁液在小的过冷度下形成的，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，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，形成枝晶形条件较好，晶体能充分发

51、育，形成枝晶形态的分枝。石墨片体比较粗大，对基体有态的分枝。石墨片体比较粗大，对基体有严重的削弱作用。严重的削弱作用。School of Materials Science and Engineering图2-4 D型石墨 枝晶点状石墨（枝晶点状石墨（D型）型） 初生奥氏体结晶温度范围宽，液相处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、石墨，分枝频繁，普遍

52、发生弯曲、扭转、片体尺寸小，分散度高，没有明显的方向片体尺寸小，分散度高，没有明显的方向性。性。图2-5 E型石墨 枝晶片状石墨（枝晶片状石墨（E型）型） 亚共晶铁液在小的过冷度下形成的。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。由于冷方向析出而形成有方向性的石墨。由于冷速较低，因此速较低，因此G片比片比D型大。型大。School of Materials Science and Engineering图图2-6 F型石墨型石墨 星

53、状石墨（星状石墨（F型）型） 过共晶铁液在大的冷速下形成的。过共晶铁液在大的冷速下形成的。星状石墨中心的大块状星状石墨中心的大块状G为初生为初生G，由，由于冷速较大，初生于冷速较大，初生G不能长大，而共晶不能长大，而共晶G则以初生则以初生G为依附沿辐射方向生长。为依附沿辐射方向生长。2. 2. 基体组织基体组织 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。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，脆磷共晶呈网状、孤立岛状或鱼骨状，硬而

54、脆，使铸铁的韧性降低，脆性增加。性增加。 硫以硫以FeSFeS形式完全溶解在铁液中，但凝固时形式完全溶解在铁液中，但凝固时S S在固溶体或渗碳体中的溶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。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。School of Materials Science and Engineering二.力学性能特点1. 1. 强度性能强度性能 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。等因素所决定。 石墨的作用石墨的作

55、用 a. 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。低越严重。 b. 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，使灰铁的时造成

56、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，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，可通过改变此，可通过改变G G的形态来提高铸铁的力学性能。的形态来提高铸铁的力学性能。School of Materials Science and En

57、gineering 基体的作用基体的作用 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。大。 共晶团的作用共晶团的作用细化共晶团，可使铸铁的强度提高。细化共晶团，可使铸铁的强度提高。2. 2. 硬度硬度 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。的增加和分散度的增大，铸铁的硬度增大

58、。3. 3. 缺口敏感性缺口敏感性 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。变，敏感性可能提高。School of Materials Science and Engineering4. 4. 良好的减震性和减摩性良好的减震性和减摩性 石墨具有

59、缓冲作用，能阻止振动能量的传播；石墨是润滑剂，脱落在石墨具有缓冲作用，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，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。使摩擦面上保持油膜连续。School of Materials Science and Engineering第二节第二节 影响铸铁铸态组织的因素影响铸铁铸态组织的因素一一. .冷却速度的影响冷却速度的影响 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。铸

60、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。扩散的影响。图图2-7 冷却速度对铸铁凝固组织影响示意图冷却速度对铸铁凝固组织影响示意图School of Materials Science and Engineering1.1.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