机械工程材料及成型基础第5章铸铁课件.ppt

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1、第五章铸铁5.1灰口铸铁在铁-渗碳体相图中，含碳量>2.14％的铁和碳的合金称为“铸铁”。在铸铁的组织中存在共晶体，这是作为铸造合金使用的有利条件。在铸铁中，碳可能以渗碳体的形态存在，或以石墨的形态存在，或者以渗碳体和石墨这两种形态同时存在。渗碳体使铸铁的断口具有金属光泽，因此，在铸铁中碳以渗碳体的形态存在的铸铁称为“白口铸铁”。石墨使铸铁断口具有灰色，因此，把这种铸铁称为“灰口铸铁”。根据石墨的形貌和石墨的形成条件又分成了：灰口铸铁；高强度球墨铸铁；可锻铸铁。灰口铸铁实质上是含有不可避免的夹杂物锰、磷和硫的

2、Fe－Si－C系合金。在灰口铁的组织中，大部分或全部碳都以石墨的形态存在。灰口铸铁的微观组织特征是碳以片状石墨的形态存在于铸铁中。含有2.4－3.8％C的亚共晶铸铁得到了广泛的应用。在铸铁中，碳的含量愈高，在铸铁中形成的石墨愈多，它的机械性能就愈低。因此，在铸铁中，碳的含量一般不超过3.8％。同时为了保证高的铸造性能（好的液体流动性），碳在铸铁中的含量又要不低于2.4％。灰口铸铁中，硅的含量一般是在1.2－3.5％的范围内，硅对灰口铸铁的组织，也就是对灰口铸铁的性能都影响很大。硅能促使铸铁的石墨化过程，因为硅

3、能减缓冷却速度，便于冷却过程的石墨化。一方面改变铸铁中碳和硅的含量，另一方面再改变冷却速度，就能得到各种不同金属基体组织的灰口铸铁。图5.1是与铸铁中硅和碳含量有关的铸铁组织图。在一定的含碳量下，铸铁中的硅愈多，石墨化过程进行地愈彻底。铸铁中的碳愈多，要得到一定的组织所需要的硅也就愈少。图5.1碳和硅对铸铁组织的影响铸铁的性能都同石墨的数量与形态有关。这样，铸铁的石墨化过程，就是铸铁的一个重要理论问题。5.1.1铸铁的石墨化过程在铸铁的组织中，石墨的形成过程称为“石墨化过程”。在铸铁中，碳以渗碳体的形态存在于

4、铸铁中，还是以石墨的形态存在于铸铁中，这要取决于冷却条件。从晶格类型上来说，奥氏体（面心立方晶格）与渗碳体（复杂斜方晶格）更接近，而与石墨（简单六方晶格）相差较大。从成分上来说，奥氏体的成分（2.5－3.8％C）与渗碳体的成分（6.67％C）更接近，而与石墨的成分（100％C）相差较大。从热力学上来说，渗碳体是一个亚稳定相，而石墨是一个稳定相。这样，根据晶格类型和化学成分来说，在结晶过程的转变中，从液相或奥氏体中析出渗碳体只需要较小的生核能量和扩散变化，因此，在转变中形成渗碳体是比较有利的。但从热力学上来说，

5、由于石墨是一个稳定相，这样，如果形成奥氏体与石墨的混合物，比形成奥氏体与渗碳体的混合物具有更低的自由能。所以碳以什么形态存在于铸铁中，这要取决于冷却速度，快冷时，碳以渗碳体的形态存在，以极其缓慢的冷却条件，使碳原子有足够的时间进行扩散生核和长大，则石墨不仅可直接由液相和奥氏体中析出，而且还可以在固态下通过渗碳体的分解而得到。从铁－碳状态图上可以看出（图5.2），当冷速较大时，由于形成渗碳体的条件比较有利，所以，结晶是按Fe－Fe3C状态图进行，只有在很缓慢的冷却条件下，碳原子能够得到充分的扩散，以及铁原子的自

6、扩散能力增大时，才能从液相中或奥氏体相中形成石墨，即结晶按Fe－C状态图进行。图5.2铁-碳合金双重相图石墨除按上述方法从结晶过程中直接形成外，还可以通过其它形式形成。渗碳体是一个亚稳定相，在一定条件下（一定的温度下）可以分解成奥氏体＋石墨，或铁素体＋石墨。实现这个过程就要求碳原子能够充分地进行扩散，使其达到石墨的结晶浓度。在室温条件下，Fe3C的分解过程是不能进行的，但提高温度，这个过程就会加速。在状态图的PˊSˊKˊ线以下，稳定相是F＋G（石墨），因此，在极缓慢的冷却条件下，Fe3C就要按铁素体＋石墨进行

7、分解，即：Fe3C→F＋G（石墨）在PˊSˊKˊ线以上的温度，稳定相是A＋G，即：Fe3C→A＋G因此，Fe3C石墨化的结果，即可能形成F＋G（PˊSˊKˊ线以下），也可能形成A＋G（PˊSˊKˊ线以上）。在PˊSˊKˊ线以上的温度，由于碳能溶解入A中，虽然温度较高，石墨化速度较快，但碳不能全部呈游离状态，总会有或多或少的碳仍溶解在A中。在PˊSˊKˊ线以下的温度，虽然石墨化过程较慢，但石墨化过程能进行到底，也就是几乎全部的碳能呈石墨的状态析出。用图5.3进一步表达这一复杂而又有实际使用价值的石墨化过程，就更

8、能一目了然。图5.3Fe3C的石墨化过程从图中可以看出，冷却速度快时，就得到白口铸铁的组织（P＋Fe3C）。把它再加热到PˊSˊKˊ线以上的温度，在这个温度下，要发生：P＋Fe3C→A＋Fe3C的转变，然后保温使其进行石墨化（第一阶段石墨化），在这种石墨化的过程中，要发生Fe3C→A＋G的转变。如果石墨化过程完全结束，这时，高温下的组织是A＋G，然后，较快的冷却，则发生：A＋G→P＋G的转变，这样，