材料的結(jié)構(gòu)組織與性能2

材料的結(jié)構(gòu)組織與性能

（五）

材料學(xué)院鑄鐵鑄鐵＝鋼的基體＋石墨與鋼相比成分中含有較多的Si、P、S等鑄鐵的特點

鑄鐵（castiron）是含碳量大于2.11％的鐵碳合金。在工業(yè)生產(chǎn)中，因冶煉、原材料等因素，鑄鐵成分中一般還含有硅、錳、磷、硫等元素，所以實際應(yīng)用的鑄鐵是以鐵、碳、硅為主的多元鐵基合金。鑄鐵與鋼在化學(xué)成分上的主要區(qū)別是前者的碳、硅以及雜質(zhì)元素磷、硫含量較高。鑄鐵的生產(chǎn)成本較低、并且有如下許多優(yōu)良的性能:優(yōu)良的減振性，較高的耐磨性、極好的鑄造工藝性和切削加工性。所以，鑄鐵是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的工程材料。按質(zhì)量比統(tǒng)計，汽車、拖拉機中，鑄鐵用量占50％～70％，在機床中占60％～90％，近幾十年來，由于鑄鐵成分、石墨形態(tài)、鑄造工藝的變化與發(fā)展，鑄鐵性能有了很大的提高。尤其是球墨鑄鐵已代替部分鑄鋼或合金鋼，用來制造曲軸、連桿、凸輪軸、閥門等重要零件，廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機、汽車拖拉機、機床等工業(yè)領(lǐng)域，是一種質(zhì)優(yōu)、價廉、易得的優(yōu)良鑄造材料。鑄鐵的性能化學(xué)成分碳的存在形式基體類型石墨的形態(tài)、數(shù)量、大小及空間分布石墨滲碳體滲碳體具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，而石墨的強度、硬度、塑性都很低，在鑄鐵中可視為空洞，與滲碳體的性能相去甚遠。因此，碳在鑄鐵中是以化合態(tài)的Fe3C形式存在還是以游離態(tài)的G形式存在以及二者的相對比例大小，對鑄鐵的性能都會產(chǎn)生重大影響。鑄鐵的石墨化鑄鐵的石墨化（graphitization）是指鑄鐵中石墨的形成過程。通常將鑄鐵由高溫液態(tài)凝固冷卻到室溫過程中石墨的結(jié)晶析出分為三個階段：第一階段石墨化：過共晶成分的鐵水從液相中結(jié)晶出一次石墨；共晶和亞共晶成分的鐵水在1154℃共晶反應(yīng)時形成共晶石墨，叫第一階段石墨化。第二階段石墨化：在1154～738℃的溫度范圍內(nèi)，奧氏體中由于碳的溶解度的降低，而沿固溶線析出二次石墨的過程叫第二階段石墨化。第三階段石墨化：奧氏體在738℃發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成共析石墨的過程叫第三階段石墨化。影響石墨化的主要因素工藝條件：在工藝條件中以冷卻速度的影響最為強烈。冷速越慢越易獲得石墨?；瘜W(xué)成分：促進石墨化的元素有C、Si、Al、Cu、Ni、Co等，阻止石墨化的元素有Cr、W、Mo、V、Mn、S等C+Si（%）7.06.06.55.54.04.55.00

10

20

30

40

50

60

70壁

厚

（mm）154321－P＋Fe3C；2－P＋Fe3C＋G；3－P＋G；4－P+F+G；5－F+G碳、硅含量和冷卻速度對鑄鐵組織的影響灰鑄鐵

灰鑄鐵（graycast-iron）是一種斷面呈深灰色，石墨形狀為片狀，應(yīng)用最為廣泛的鑄鐵（見圖）。灰鑄鐵的片狀石墨對基體有很大的割裂作用，石墨尖端易形成應(yīng)力集中，在所有鑄鐵中，是石墨形狀最差的一種?；诣T鐵的特性：

1.優(yōu)良的鑄造性能灰鑄鐵的熔點較低，容易熔煉，流動性好，可澆鑄成形狀復(fù)雜的鑄件。石墨的比體積較大，石墨的析出可部分抵消鑄件凝固及冷卻過程中的收縮，所以灰鑄鐵的收縮率較小，設(shè)置的澆冒口也可以較小。

2.優(yōu)良的耐磨性、消振性和切削加工性灰鑄鐵中的片狀石墨很容易在摩擦力的作用下剝落下來。而石墨本身是一種性能良好的固態(tài)潤滑劑，同時石墨剝落后的孔隙能吸附和存儲潤滑油，使摩擦界面保持良好的潤滑狀態(tài)；由于石墨的潤滑作用及斷屑作用、故灰鑄鐵具有良好的切削加工性能；石墨能吸收機械振動能，阻止振動的傳播，其消振性比鋼好得多。3.力學(xué)性能特點片狀石墨的存在破壞了基體的連續(xù)性，可以看成鋼的基體上的裂紋或孔洞。石墨片的端部相當(dāng)于裂紋的尖端，在拉應(yīng)力的作用下容易形成應(yīng)力集中，致使其抗拉強度和塑性都很低。所以灰鑄鐵不能用來制造在拉應(yīng)力狀態(tài)下服役的零件。在壓應(yīng)力作用下，石墨不會形成大的應(yīng)力集中，灰鑄鐵的抗壓強度并不比鋼低。所以特別適合制作在壓應(yīng)力狀態(tài)下服役的零件，如機床的床身、底座、立柱、箱體等。應(yīng)當(dāng)指出，灰鑄鐵的沖擊韌度很低，是一種典型的脆性材料，所以不適合制造在沖擊載荷作用下服役的零件。4.物理化學(xué)性能與鋼相比，灰鑄鐵有較好的耐蝕性及抗氧化性。這與灰鑄鐵成分中含有較高的硅有關(guān)，球狀石墨墨鑄鐵球狀石墨墨鑄鐵(spheroidalgraphiteiron)是指指石墨形形狀為球球形的鑄鑄鐵（見圖）。球狀石墨墨對基體體的割裂裂和應(yīng)力力集中作作用都降降到了最最小程度度，從而而使基體體組織的的強度、、塑性和和韌性的的潛力得得以發(fā)揮揮。通過過熱處理理可獲得得各種基基體組織織，使球球墨鑄鐵鐵在力學(xué)學(xué)性能方方面有較較大的調(diào)調(diào)整幅度度。正火狀狀態(tài)時，，基體為為珠光體體加鐵素素體，其其強度大大大超過過灰鑄鐵鐵，接近近含碳量量為0.45%的碳素素結(jié)構(gòu)鋼鋼正火狀狀態(tài)的強強度指標(biāo)標(biāo)，同時時保持了了相當(dāng)好好的塑性性和韌性性。等溫溫淬火后后，基體體組織為為貝氏體體，雖塑塑性、韌韌性有所所降低，，但強度度可比正正火狀態(tài)態(tài)提高約約70％％。球墨墨鑄鐵不不僅強度度接近鋼鋼的水平平，而且且屈強比比比鋼高高得多。。與此同同時，球球墨鑄鐵鐵保持了了灰鑄鐵鐵的某些些優(yōu)良特特性，如如良好的的流動性性，易于于鑄造成成形，生生產(chǎn)方法法和設(shè)備備簡單，，成本較較低，切切削加工工性能優(yōu)優(yōu)良等，，所以球球墨鑄鐵鐵是一種種以鐵代代鋼、以以鑄代鍛鍛的材料料。目前前，球墨墨鑄鐵大大量用來來制造曲曲軸、凸凸輪軸、、連桿、、齒輪、、蝸輪、、軋輥等等。牛眼狀球球墨鑄鐵鐵中錳耐磨磨球墨鑄鑄鐵（奧奧氏體＋＋條塊狀狀碳化物物＋球狀狀石墨））鐵素體－－珠光體體延性鑄鑄鐵（球球墨鑄鐵鐵〕珠光體球球墨鑄鐵鐵鐵素體球球墨鑄鐵鐵球墨鑄鐵鐵的特點點:1、化學(xué)學(xué)成分的的特點之之一是碳硅含量量高，這樣可可使其成成分接近近共晶點點，從而而提高鐵鐵水的流流動性。。鎂是主要要的球化化元素，，同時也也是強烈烈的反石石墨化元元素；較高的的硅含量量可有效效抑制鎂鎂引起的的白口傾傾向；球墨鑄鐵鐵化學(xué)成成分的第第二個特特點是低磷、低低硫；2、石墨墨的球化化使得改改善基體體組織有有了意義義，因此此球墨鑄鑄鐵往往往要進行行熱處理理。球墨墨鑄鐵常常用的熱熱處理有有退火、、正火、、調(diào)質(zhì)、、等溫淬淬火等；；3、具有有較高的的強韌性性，是當(dāng)當(dāng)前“以以鑄代煅煅”的重重要材料料；圖9.5各類球墨鑄鐵鑄件可鍛鑄鐵鐵將白口鑄鑄鐵經(jīng)石石墨化退退火處理理，使其其滲碳體體分解為為團絮狀狀石墨所所得到的的鑄鐵叫叫可鍛鑄鑄鐵（ductilecastiron）,可鍛鑄鑄鐵的石石墨形態(tài)態(tài)見圖。由于于石墨呈呈團絮狀狀，與灰灰鑄鐵的的片狀石石墨相比比，大大大減小了了對基體體的割裂裂作用。。其強度度、塑性性、韌性性都高于于灰鑄鐵鐵。雖然然球狀石石墨鑄鐵鐵的性能能優(yōu)良，，在許多多應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域取代代了可鍛鍛鑄鐵，，但可鍛鍛鑄鐵的的鐵水處處理簡單單、質(zhì)量量穩(wěn)定，，尤其是是白口鑄鑄鐵具有有優(yōu)良的的鑄造性性能，特特別適合合鑄造薄薄壁件，，所以可可鍛鑄鐵鐵被大量量用以生生產(chǎn)形狀狀復(fù)雜的的管件，，如管接接頭、彎彎頭、水水龍頭等等。石墨墨化退火火工藝改改進后，，生產(chǎn)周周期大大大縮短，，生產(chǎn)成成本隨之之降低，，所以可可鍛鑄鐵鐵是一種種重要的的鑄鐵品品種。鐵素體可鍛鑄鐵石墨形態(tài)－團絮狀G圖9.7可鍛鍛鑄鐵鑄鑄件蠕墨鑄鑄鐵鐵石墨呈蠕蠕蟲狀的的鑄鐵叫叫蠕墨鑄鐵鐵（vermicularcastiron））。蠕蟲狀石墨墨的形態(tài)介于于球狀與片狀狀之間，在光光學(xué)顯微鏡下下呈短桿狀（（見圖），與灰鑄鐵鐵的片狀石墨墨相近，但長長、厚方向尺尺寸比較小，，端部較鈍、、較圓,局部部又接近球狀狀。蠕墨鑄鐵鐵是近三十年年發(fā)展起來的的一種新型鑄鑄鐵，在高溫溫鐵水中加入入蠕化劑即可可制得蠕墨鑄鑄鐵。常用的的蠕化劑有鎂鎂鈦合金、稀稀土鎂鈦合金金等。蠕墨鑄鐵的性性能特點是：強度及塑塑性高于灰鑄鑄鐵但低于球球墨鑄鐵，有有較高的耐磨磨性和一定的的韌性，鑄造造性能與灰鑄鑄鐵一樣良好好。在生產(chǎn)中，只只要將球化劑劑的加入量減減少就能得到到蠕墨鑄鐵，，但其控制比比完全球化還還難，為此還還要加入球化化阻礙元素，，如Ti等。。蠕墨鑄鐵可用用于制造曲軸軸箱、齒輪箱箱、鏈輪、偏偏心齒輪、鋼鋼錠模、汽缸缸頭、飛輪等等，由于蠕墨墨鑄鐵具有較較高的熱導(dǎo)率率，所以可以以制造承受熱熱疲勞的零件件。蠕蟲狀石墨蠕蟲狀石墨三三維圖象圖9.10蠕墨鑄鐵件石墨形態(tài)與性性能的關(guān)系塑性、強度、、韌性鋼中的非金屬屬夾雜物在鋼中的金相相顯微鏡組織織除了固溶體體相和金屬化化合物外，還還有如下圖所所示的形態(tài)非金屬夾雜物物通常指不具有有金屬性質(zhì)的的氧化物、硫硫化物和一些些高熔點氮化化物以及硒化化物、碲化物物、磷化物．．鋼中的非金屬屬夾雜物的來來源：(1)脫氧、、脫硫產(chǎn)物。。特別是一些些比重大的產(chǎn)產(chǎn)物沒有及時時排除．(2)隨著鋼鋼液溫度降低低，硫、氧、、氮等雜質(zhì)元元素的溶解度度相應(yīng)下降，，于是這些不不溶解的雜質(zhì)質(zhì)元素就以非非金屬化合物物在鋼中沉淀淀．(3)帶入鋼鋼液中的爐渣渣，熔渣或耐耐火材料．(4)鋼液被被大氣氧化所所形成的氧化化物．通常將前兩類類夾雜物稱為為內(nèi)生夾雜物物，后兩類夾夾雜物稱為外外來夾雜物．．非金屬夾雜物物對鋼性能的的影響非金屬夾雜物物對鋼拉伸性性能的影響非金屬夾雜物物對鋼韌性的的影響非金屬夾雜物物對鋼的韌性性有明顯的影影響，其原因因為：1、使鋼的塑塑性明顯下降降；2、夾雜物與與鋼的基體易易于分離，形形成微裂紋，，使鋼發(fā)生早早期斷裂硫化錳夾雜與與基體脫離并并斷裂的例子子對韌性斷裂過過程的觀察結(jié)結(jié)果表明，韌韌性斷裂是裂裂紋產(chǎn)生、擴擴展和連接的的過程，由此此可推測．在在韌性斷裂過過程中，裂紋紋彼此連接的的路徑是參與與斷裂的每一一個夾雜物均均產(chǎn)生一個微微裂紋，相鄰鄰裂紋的連接接是靠裂紋之之間金屬基體體滑移和縮頸頸來完成的。。利用掃描電電鏡對斷口進進行觀察表明明：金屬的韌韌性斷口是由由大量韌窩組組成，夾雜物物與韌窩幾乎乎是一一對應(yīng)應(yīng)的，說明一一個夾雜物就就是一個韌窩窩的形核位置置。韌窩形成過程程韌窩60Si2Mn彈簧鋼疲疲勞裂紋源于于非金屬夾雜雜物區(qū)域提純電子工業(yè)中用用的半導(dǎo)體材材料鍺的純度度須達到99．9999999％以以上，若用一一般的化學(xué)方方法，不可能能達到如此高高的純度。但但是根據(jù)相圖的知知識知道:金金屬中混入入了雜質(zhì)，其其熔點一般比比純金屬為低低。而且當(dāng)該該金屬熔融后后再固化時，，先結(jié)晶出的的是高熔點的的純金屬。根據(jù)這一原理理，將欲提純純的一段金屬屬材科放置在在管式爐中，，在管外裝置置一個可以左左右移動的加加熱環(huán)，將要要提純的金屬屬材料先在管管式爐的左端端加熱，使其其區(qū)域熔融。。然后再加熱熱環(huán)以極慢的的速度從左端端向右移動，，這時金屬材材料的區(qū)域熔熔融區(qū)的左端端成為固化區(qū)區(qū)，而右端成成為液相區(qū)。。在左端固化化區(qū)中先結(jié)晶晶的必定是熔熔點較高的金金屬。由于熔熔融區(qū)左端的的純度較右端端為高。當(dāng)加加熱環(huán)向右端端移動時，便便把材料中的的雜質(zhì)從左““掃”向右端端．如果加熱熱環(huán)一次又一一次地從左向向右移動，則則材料中的雜雜質(zhì)一次又一一次地向右推推移，最后金金屬材料的左左端可得到純純度較高的材材料。這種方方法稱為區(qū)域域熔融法(或或稱區(qū)域熔煉煉法)。休息9、靜夜四無鄰鄰，荒居舊業(yè)業(yè)貧。。12月-2212月-22Saturday,December24,202210、雨中中黃葉葉樹，，燈下下白頭頭人。。。10:41:5310:41:5310:4112/24/202210:41:53AM11、以我獨獨沈久，，愧君相相見頻。。。12月-2210:41:5310:41Dec-2224-Dec-2212、故人江海海別，幾度度隔山川。。。10:41:5310:41:5310:41Saturday,December24,202213、乍見翻翻疑夢，，相悲各各問年。。。12月-2212月-2210:41:5310:41:53December24,202214、他鄉(xiāng)鄉(xiāng)生白白發(fā)，，舊國國見青青山。。。24十十二二月202210:41:53上上午午10:41:5312月月-2215、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。十二月2210:41上午12月-2210:41December24,202216、行動出成果果，工作出財財富。。2022/12/2410:41:5310:41:5324December202217、做前，能夠夠環(huán)視四周；；做時，你只只能或者最好好沿著以腳為為起點的射線線向前。。10:41:53上午午10:41上上午10:41:5312月-229、沒沒有有失失敗敗，，只只有有暫暫時時停停止止成成功功！！。。12月月-2212月月-22Saturday,December24,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有結(jié)結(jié)果果，，但但是是不不努努力力卻卻什什么么改改變變也也沒沒有有。。。。10:41:5310:41:5310:4112/24/202210:41:53AM11、成功就就是日復(fù)復(fù)一日那那一點點點小小努努力的積積累。。。12月-2210:41:5310:41Dec-2224-Dec-2212、世間成事，，不求其絕對對圓滿，留一一份不足，可可得無限完美美。。10:41:5310:41:5310:41Saturday,December24,202213、不不知知香香積積寺寺，，數(shù)數(shù)里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月-2210:41:5310:41:53December24,202214、意志堅堅強的人人能把世世界放在在手中像像泥塊一一樣任意意揉捏。。24十十二月202210:41:53上上午10:41:5312月-2215、楚塞三湘湘接，荊門門九派通。。。。十二月2210:41上午12月-2210:41December24,202216、少少年年十十五五二二十十時時，，步步行行奪奪得得胡胡馬馬騎騎。。。。2022/12/2410:41:5410:41:5424December202217、空山新雨后后，天氣晚來來秋。。10:41:54上午午10:41上上午10:41:5412月-229、楊柳柳散和和風(fēng)，，青山山澹吾吾慮。。。12月月-2212月月-22Saturday,December24,202210、閱閱讀讀一一切切好好書書如如同同和和過過去去最最杰杰出出的的人人談?wù)勗捲?/p>