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1、第二章 铸铁的结晶及组织形成第一节第一节铁碳双重相图铁碳双重相图第二节第二节 铸铁的结晶过程铸铁的结晶过程第三节第三节铸铁的组织影响因素铸铁的组织影响因素重点：铁碳相图的二重性、铸铁的一次、重点：铁碳相图的二重性、铸铁的一次、二次结晶过程二次结晶过程难点：铁碳合金在结晶过程的影响因素难点：铁碳合金在结晶过程的影响因素铸铁 及 熔 炼第一节第一节 铁碳双重相图铁碳双重相图?概要概要?一、一、Fe-C 及及Fe-C-Si 状态图状态图二、二、Fe-P 和和 Fe-C-P状态图状态图?概要平衡状态图是反映合金的成分、温度、组织三者之间相互关系反映合金的成分、温度、组织三者之间相互关系的重要工具，利用

2、该图有助于了解高纯合金在平衡条件下的组织转变过程。?实践证明,当借助状态图来研究合金的组织变化时 还应注意动力学方面的问题,即外部条件,如冷却速度、某种添加元素对状态图的影响铸铁 及 熔 炼一、一、Fe-CFe-C 及及 Fe-C-SiFe-C-Si 状态图状态图?1.碳碳 在在 铸铁中三种存在形式铸铁中三种存在形式(l)固溶于金属基体。碳在高温奥氏体中的最大溶解度为2.0%,在铁素体和珠光体中的最大溶解度分别为 0.02%和 0.77%,其余则以高碳相形式存在;?(2)在快速凝固的条件下,除少量碳固溶于金属基体外,大部分碳将与铁结合成化合物Fe3C，如白口铁;?(3)在缓慢冷却条件下,碳有足

3、够的时间聚集为石墨，如灰口铁和球墨铸铁。?2.Fe-C2.Fe-C相图的二重性相图的二重性金属学中已经学习了Fe-Fe-Fe3CFe3C相图相图,讨论了碳钢和白口铁的结晶过程和组织讨论了碳钢和白口铁的结晶过程和组织,但实际生产中常常会在高碳的铁碳合金中有石墨结晶出来但实际生产中常常会在高碳的铁碳合金中有石墨结晶出来.?从热力学角度看,Fe3C的自由能高于石墨的自由能高于石墨,所以所以,高温时渗碳体能自动分解为高温时渗碳体能自动分解为奥氏体和石墨奥氏体和石墨,从从动力学动力学角度看角度看,形成渗碳体所需要的碳原子比生成石墨所需形成渗碳体所需要的碳原子比生成石墨所需要的碳原子少的多要的碳原子少的多

4、.因而因而,在某种条件下在某种条件下,奥氏体加石墨的共晶转变还不如莱氏奥氏体加石墨的共晶转变还不如莱氏铸铁 及 熔 炼体共晶转变容易体共晶转变容易.?因此:热力学-FeFe+Fe3C相图只是介稳定系相图只是介稳定系(虚线虚线)的的,Fe+GFe+G相图才是相图才是稳定系稳定系(实实线线)的的.动力学动力学-在一定条件下在一定条件下,按按FeFe+Fe3C相图转变亦是可能的相图转变亦是可能的,因此就出现了因此就出现了铁碳双重相图铁碳双重相图-见教材图见教材图1.1.?Fe+Fe+Fe3C与与Fe+GFe+G相图的不同处相图的不同处:1)1)共晶共晶:L(C4.26%)2.1%C+G :L(C4.

5、26%)2.1%C+G 共晶温度共晶温度11531153度度?L(C4.3%)2.14%C+L(C4.3%)2.14%C+Fe3C 共晶温度共晶温度11471147度度2)2)共析共析:Y(C0.69%)a+G :Y(C0.69%)a+G 共析温度共析温度736736度度Y(C0.76%)a+Y(C0.76%)a+Fe3C 共析温度共析温度727727度度从相图可以明显看出从相图可以明显看出,当当冷却速度慢冷却速度慢时时,可以得到可以得到G G,冷却速度快冷却速度快时则可以时则可以得到得到Fe3C.铸铁 及 熔 炼?铸铁的实际成分不仅含 Fe、C 还有 Si、Mn、S、P 等,其中 Fe、C、

6、Si 是主要元素,因 此,与其用 Fe-C 状态图还不如用 Fe-C-Si 三元素状态图来说明铸铁的组织变化更加确切。?三元系状态图是立体图,结构复杂,绘制困难,使用不便。为了便于研究,通常用一定含硅量的 Fe-C 状态图或 Fe-C-Si 状态图的某一个截面图来分析铸铁的组织变化。?图 2.9 所示为含 2.4%Si 的 Fe-C 状态图,显然这是变了形的 Fe-C 状态图。也就是说硅改变了 Fe-C 状态图的 形状,改变了 Fe-C 系合金的结晶过程,使液相线、固相线及各临界点的位置发生了变化。3.硅显著改变硅显著改变 Fe-C Fe-C 系的临界温度和各临界点的含碳量系的临界温度和各临界

7、点的含碳量和改变铸铁的组织和改变铸铁的组织 的作用的作用:?铸铁 及 熔 炼(1)奥氏体液相线和固相线温度均随硅量增加而下降,意味着增加硅量可提高铁水的过热度(浇注温度与凝固点之差)和流动性,改善铁水的铸造性能。(2)SI的加入出现了三相共存区,说明共晶和共析转变是在一个温度范围内进行的,且共析转变温度范围随硅量的增加而扩大.随着含硅量提高,共析反应起始温度和终了温度上升,共析反应温度范围扩大,如图 2.10 所示,这表明硅促使奥氏体在更高的温度分解或转变。更高的共析反应温度有利于 Fe、C 原子的扩散和聚集,促进奥氏体向铁素体转变,即提高基体铁素体化的能力。(3)硅使 r 相区缩小,即减少碳

8、在奥氏体中的溶解度,促使碳从奥氏体中析出。换言之,硅降低了奥氏体的稳定性,使其转变更加容易。当SI10%,奥氏体趋于消失.?铸铁 及 熔 炼(4)硅减少共晶点和共析点的含碳量,本质上是促进液态石墨化和固态石墨化,因为共晶 点含碳量是碳在铁水中的最大溶解度,共析点含碳量是共析反应温度下碳在奥氏体中的最大 溶解故硅既是促进共晶石墨化元素也是促进共析石墨化元素。度。溶解度减小意味着碳的析出能力增大,或石墨化能力提高。结论结论:?Fe-G系和Fe-G-Si系中的石墨在固态条件下不再变化，故这两个结晶系统称为稳定系稳定系，而Fe-Fe3C 和Fe-Fe3C-Si中的Fe3C在固态条件下不一定稳定，当材料

9、被重新加热到共析温度以上时Fe3C将分解为奥氏体和石墨，故Fe-Fe3C和Fe-Fe3C-Si统称为介稳定系。铸铁 及 熔 炼二、二、Fe-P和和Fe-C-P状态图状态图?1.磷作为杂质元素主要由炉料（如生铁、回炉料）带入，只是为了提高耐磨性或需要特别提高流动性时才有意加入适量的磷。铸铁含磷量一般少于0.2%，高磷铸铁含（0.4%1.0%）P。2.磷共晶是一种硬脆相如数量过多将增大材料的脆性，并且由于磷共晶比金属基体有更大的体收缩而使铸铁产生显微疏松缺陷。铸铁 及 熔 炼?3.Fe-P状态图如图 2.11所示。磷在-Fe中的最大溶解度为2.8%，温度下降时溶解度减小，从-Fe中析出的磷不是单质

10、而是化合物Fe3P。在1050时-Fe和Fe3P形成二磷共晶Fe-Fe3P，共晶点含10.5%P，这样高的含磷量完全是晶界局部偏析的结果。实践证明，Fe-P熔体对冷却度十分敏感，熔体对冷却度十分敏感，当冷却速度很快或孕育不佳时，共晶反应当冷却速度很快或孕育不佳时，共晶反应温度降至温度降至945，共晶点含磷量从，共晶点含磷量从10.5%增加到增加到12.5%。三、常见元素对铁碳相图上个临界三、常见元素对铁碳相图上个临界点的影响点的影响影响：1 促进灰口或白口2 形核及生长3 二次结晶4 共晶、共析点的移动5 影响石墨共晶的临界过冷度一）促进灰口或白口的元素：灰口 Si Al Ni Co CuMn

11、 Mo Sn Cr V Sb Te 白口二）影响形核及生长方式1、对初生奥氏体的影响La、Ce等表面活性元素能促使分枝细化2、对石墨共晶的影响Cu?TE上升 生长速度下降细化晶粒V、Ti 形成碳氮化合物细化共晶团碱土族、稀土具有表面活性使石墨球化3、对渗碳体、共晶结构的影响Cr%12%时，M7C形成特殊碳化物V%10%时 VC二）影响形核及生长方式1、对初生奥氏体的影响La、Ce等表面活性元素能促使分枝细化2、对石墨共晶的影响Cu?TE上升 生长速度下降细化晶粒V、Ti 形成碳氮化合物细化共晶团碱土族、稀土具有表面活性使石墨球化3、对渗碳体、共晶结构的影响Cr%12%时，M7C形成特殊碳化物V

12、%10%时 VC三）二次高碳相Si、Ni促进石墨析出；Cr Mo促进Fe3C析出四）对共晶、共析碳量的影响共晶点共析点向左、右移动，移动的多少与元素各类及含量有关。五）影响石墨共晶的临界过冷度?T?TE/(1?KG/KC)KE与KC分别为与石墨共晶与渗碳体共晶生长速度有关的常数五、碳当量和共晶度的意义及表达五、碳当量和共晶度的意义及表达式式FeC合金中各元素对某性能的影响可以折算成含碳量的增减，我们把 各元素对某性能的影响折算成含碳量的增减以后所得到的含碳量称为 碳当量。例如，不同元素对共晶点的影响可用下式来表示：S?C/C?C/4.28?0.3(Si?P)?CCCE=C+0.3(Si+P)+

13、0.4S-0.03MnC+0.3(Si+P)C+Si/3铁水含碳量与共晶点含碳量之比称为 共晶度。铸铁 及 熔 炼铸铁 及 熔 炼铸铁 及 熔 炼铸铁 及 熔 炼第二节第二节 铸铁的结晶过程铸铁的结晶过程?1 白口铸铁的一次结晶过程2 灰铸铁的一次结晶过程3 球墨铸铁的一次结晶过程4 铸铁的二次结晶过程冷却速度对铸铁组织的影响冷却速度对铸铁组织的影响?铸件凝固过程中的冷却速度主要取决于：铸件凝固过程中的冷却速度主要取决于：铸型蓄、导热能力和冷却条件；铸型蓄、导热能力和冷却条件；铸件的当量厚度。可见：在铸件结构确定的条件下，改变铸件的当量厚度。可见：在铸件结构确定的条件下，改变铸型性质对冷却速度

14、产生直接影响；另一方面在铸型材料和铸型性质对冷却速度产生直接影响；另一方面在铸型材料和冷却条件一定的情况下，碳、硅含量高，浇注温度高，铸件冷却条件一定的情况下，碳、硅含量高，浇注温度高，铸件当量厚度大，浇速快，冷却速度就慢（设该冷速为当量厚度大，浇速快，冷却速度就慢（设该冷速为V1）。反）。反之，碳、硅含量低，浇注温度低，铸件薄，浇注慢，冷却速之，碳、硅含量低，浇注温度低，铸件薄，浇注慢，冷却速度就快（设该冷速为度就快（设该冷速为V2），并设），并设V1与与与与V2之间的冷速为之间的冷速为V3，则将冷却速度对铸铁形成高碳相种类及比例的影响讨论，则将冷却速度对铸铁形成高碳相种类及比例的影响讨论如

15、下：（为讲清过程，略去对液相、固相溶质浓度、温度变如下：（为讲清过程，略去对液相、固相溶质浓度、温度变化的附加标注）。化的附加标注）。（1 1）一次结晶一次结晶亚共晶铸铁：亚共晶铸铁：V1 A+GV2共晶铸铁：共晶铸铁：V1A+Fe3CA+GA+Fe3CL L+A初晶LV2 过共晶铸铁：过共晶铸铁：V1L A+G初晶V1 A+GV2A+Fe3C+G初晶V1 V2A+G+Fe3C初晶A+Fe3CV2A+Fe3C初晶（2 2）二次结晶二次结晶中间阶段（中间阶段（A A脱碳）：脱碳）：V1AV2共析阶段：共析阶段：V1A+GA+Fe3CF+GF+Fe3CAV2V V3 3也是生产实践中实际存在的一种

16、介于也是生产实践中实际存在的一种介于V V1 1V V2 2之间的可变之间的可变的冷速，它可能发生在一次结晶，二次结晶的全过程，也可能的冷速，它可能发生在一次结晶，二次结晶的全过程，也可能发生在某个过程或发生在某个过程的某个阶段，且发生的程度发生在某个过程或发生在某个过程的某个阶段，且发生的程度也不尽一致。针对实际发生的不同冷速所形成的不同种类的高也不尽一致。针对实际发生的不同冷速所形成的不同种类的高碳相，对应这些组织给了下列的称谓。碳相，对应这些组织给了下列的称谓。结晶过程全部以结晶过程全部以V V2 2凝固，其组织接上述凝固，其组织接上述V V2 2分析（也就分析（也就是按是按FeFeFe

17、Fe3 3C C状态图分析）。名谓：白口铸铁。状态图分析）。名谓：白口铸铁。结晶过程全部以结晶过程全部以V V1 1凝固，其组织按上述凝固，其组织按上述V V1 1分析（也就分析（也就是是FeFeG G状态图分析）。名谓：铁素体灰铸铁。状态图分析）。名谓：铁素体灰铸铁。二次结晶共析阶段按二次结晶共析阶段按V2凝固，其它过程按凝固，其它过程按V1凝固。凝固。名谓：名谓：珠光体灰铸铁。珠光体灰铸铁。L A+G A脱+G P+G 二次结晶共析阶段按二次结晶共析阶段按V3凝固，其它过程按凝固，其它过程按V1凝固。凝固。名谓：名谓：共晶中间共析珠光体珠光体+铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁L A+G A脱+G

18、P+F+G共晶中间共析 一次结晶及二次结晶中间阶段按一次结晶及二次结晶中间阶段按V V3 3凝固，共析阶段按凝固，共析阶段按V V2 2凝凝固：名谓：麻口铁固：名谓：麻口铁V1A+GL A+G+LdV2A+Fe3CV3A+GA+Fe3C 中间共析+G+LdA+G+Ld+Fe3C P+GLd+Fe3C1 白口铸铁的一次结晶过程?白口铸铁白口铸铁的一次结晶按照FeFe3C状态图来描述。介稳定系FeC合金的共晶组织为渗碳体/奥氏体共晶团，即莱氏体共晶。莱氏体中的奥氏体和渗碳体以片状协同生长方式，同时在侧向上以奥氏体为分隔晶体的蜂窝结构生长，即共晶渗碳体的（0001）面是共晶团的基础，排列的很整齐的奥

19、氏体芯棒沿001方向嵌入渗碳体基体，形成蜂窝状共晶团。亚共晶白口铁亚共晶白口铁中出生相为奥氏体，奥氏体呈树枝状生长，形成沿散热方向得到主要发展的树枝晶粒。随温度下降，奥氏体晶粒不断增大，残留液相成分逐渐富碳接近共晶成分，至共晶温度以下，发生共晶转变，最后形成树枝状出生奥氏体和莱氏体组成。过共晶白口铁过共晶白口铁出生相为渗碳体，呈锯齿状边缘的板状式生长，随温度下降，渗碳体奥氏体晶粒不断增大，残留液相成分逐渐富碳接近共晶成分，至共晶温度以下，发生共晶转变，最后形成渗碳体和莱氏体。莱氏体中的奥氏体经共析转变为珠光体。2 灰铸铁的一次结晶过程?2.1 出生奥氏体的结晶2.2 共晶凝固2.3 石墨的晶体

20、结构及片状石墨长大2.1 出生奥氏体的结晶1.奥氏体各阶段情况：铸 铁 及 熔 炼1)当亚共晶铁水冷却到液相线以下时即变成过饱和溶液,奥氏体开始从熔体中析出,随着温度下降,和奥氏体平衡的铁水含碳量沿液相线变化,碳浓度随温度下降而上升,与此同时已结晶的奥氏体含碳量沿固相线变化,随温度下降也上升,至共晶平衡温度时,奥氏体最大溶解度为 2.11%C,铁水含碳量为4.26%.2)在凝固过程中在凝固过程中L/界面上不断发生铁碳原子迁移界面上不断发生铁碳原子迁移,碳原子从碳原子从一侧向熔体方向扩一侧向熔体方向扩散散,铁原子则从熔体一侧向铁原子则从熔体一侧向方向扩散方向扩散,铁、碳原子作相反方向的扩散运动铁

21、、碳原子作相反方向的扩散运动。3)熔体中其它元素也在凝固过程中发生扩散运动,如 Si.Ni.Al.Cu.Co 等元素倾向于向枝干上富集,称为反偏析元素,而 C.Mn.Cr.W.Mo.V.P 则倾向于在奥氏体前沿和共晶团边界上富集,称为正偏析元素。4)起初奥氏体枝晶间偏析为共晶体生长创造有利条件,但在凝固后期微量元素的偏析可能足以改变石墨形态或导致形成晶间碳化物。注:杂质元素的这种偏析导致成分过冷是奥氏体发生分枝(见图 3.7 所示)的主要原因在初生奥氏体生长过程中Bi.Pb.Sn等微量元素的显微偏析格外引人注目,它们在凝固后期剩余约10%的熔体中的浓度甚至比平均值高几倍。?2.奥氏体树枝晶的形

22、态受添加元素的影响奥氏体树枝晶的形态受添加元素的影响,如加入如加入0.01%Ti0.01%Ti可在可在铁水中形成铁水中形成TiNTiN或或Ti(CN),Ti(CN),对奥氏体起非均质晶核作用对奥氏体起非均质晶核作用,游离铁原游离铁原子又促进成分过冷子又促进成分过冷,以致奥氏体枝晶变长以致奥氏体枝晶变长,使奥氏体树枝晶占据更使奥氏体树枝晶占据更大的空间大的空间,从而提高了强度从而提高了强度,并减少铸件开裂的程度。并减少铸件开裂的程度。?然而然而,钛过量也对石墨形核不利钛过量也对石墨形核不利,因为因为,过量钛会与硫作用形成过量钛会与硫作用形成TisTis质点质点,而而 TiSTiS对石墨的形核作用

23、不如对石墨的形核作用不如MnS,MnS,实际上起削弱石墨形核实际上起削弱石墨形核的效果。的效果。?3.稳定系和介稳定系亚共晶铸铁的凝固过程可用稳定系和介稳定系亚共晶铸铁的凝固过程可用图图 3.8 3.8 表示。表示。凝固初期初生奥氏体都首先从熔体中析出凝固初期初生奥氏体都首先从熔体中析出,温度降到共晶温度以温度降到共晶温度以下时下时,稳定系共晶体为石墨稳定系共晶体为石墨/奥氏体奥氏体,介稳定系共晶体为碳化物介稳定系共晶体为碳化物/奥奥氏体氏体,至共晶温度以下前者转变为石墨至共晶温度以下前者转变为石墨+珠光体珠光体(或铁素体或铁素体),),后者后者转变为莱氏体转变为莱氏体+珠光体。珠光体。2.2

24、、共晶凝固、共晶凝固(eutectic solidification)过程过程?根据化学成分及冷却条件有两种共晶转变形式：稳定系和亚稳定系共晶转变1、稳定系的共晶转变石墨/奥氏体共晶团的结晶众所周知众所周知,含含4.26%C 4.26%C 的铁水为共晶铸铁的铁水为共晶铸铁,其实亚共晶其实亚共晶和过共晶成分的铁水在凝固后期所剩的铁水也含和过共晶成分的铁水在凝固后期所剩的铁水也含4.26%C4.26%C。因此因此,共晶反应涉及稳定系全部铸铁的结晶过程。共晶反应涉及稳定系全部铸铁的结晶过程。铸铁 及 熔 炼?含含4.26%C4.26%C的铁水过冷到共晶平衡温度以下即发生共晶反的铁水过冷到共晶平衡温度

25、以下即发生共晶反应应,从液态铁水中结晶出奥氏体和石墨两个固相。从液态铁水中结晶出奥氏体和石墨两个固相。?1.1.结晶的领先相为石墨结晶的领先相为石墨,因为因为,铁水中铁水中?总会残存石墨微粒或孕育处理诱发石墨结总会残存石墨微粒或孕育处理诱发石墨结晶核心晶核心,石墨一旦析出石墨一旦析出,其周围熔体必其周围熔体必定是贫碳富铁定是贫碳富铁,在石墨质点周围产生一个在石墨质点周围产生一个富铁区富铁区,于是促使奥氏体从富铁区中形核于是促使奥氏体从富铁区中形核和生长。和生长。结晶开始后碳在铁水和结晶开始后碳在铁水和中浓度变化中浓度变化如图如图3.123.12所示所示,石墨周围铁水含碳量为石墨周围铁水含碳量为

26、Ca,和和相邻铁水含碳量为相邻铁水含碳量为 Cb,由于由于铸铁 及 熔 炼2.与此同时与此同时,石墨尖端的铁原石墨尖端的铁原子不断向奥氏体边缘扩散子不断向奥氏体边缘扩散,作作CbCa因此因此,碳原子不断从碳原子不断从附近向附近向和铁水接触的石墨尖端扩散和铁水接触的石墨尖端扩散,使石墨尖使石墨尖端保持与铁水接触并向铁水内部延伸端保持与铁水接触并向铁水内部延伸与碳原子移动方向相反的扩与碳原子移动方向相反的扩散运动散运动,促进促进生长。生长。片状石墨的增厚则靠碳原片状石墨的增厚则靠碳原子通过子通过L/界面界面,穿过奥氏体穿过奥氏体,向向/石墨界面扩散来实现石墨界面扩散来实现,由由于于L/界面上界面上

27、一侧的碳浓度一侧的碳浓度为为Cd,/石墨界面上石墨界面上一侧的一侧的碳浓度为碳浓度为 Cc,而而Cd Cc,故碳原子能从故碳原子能从和铁水接触的和铁水接触的界面向石墨扩散界面向石墨扩散,使其厚度使其厚度增大。增大。铸铁 及 熔 炼?不过不过,碳原子的扩散速度在铁水中比在奥氏体中约快碳原子的扩散速度在铁水中比在奥氏体中约快 20 20 倍倍,故石墨在长度方向的生长要比厚度方向快得多。这故石墨在长度方向的生长要比厚度方向快得多。这也是片状石墨形成的一个原因。这种以石墨为骨架也是片状石墨形成的一个原因。这种以石墨为骨架,石石墨和奥氏体协同生长的结构称为共晶团墨和奥氏体协同生长的结构称为共晶团。在铁碳

28、硅在铁碳硅(硫硫)熔体中奥氏体生长速度熔体中奥氏体生长速度Rr,Rr,石石墨在柱面上的生长速度墨在柱面上的生长速度RG1RG1和过冷度和过冷度T T的关的关系系,如图如图3.133.13所示在一般过冷度条件下所示在一般过冷度条件下RrRr铸铁 及 熔 炼RG1,RG1,故奥氏体不可能把石墨完全包围故奥氏体不可能把石墨完全包围,如过如过冷度很大冷度很大,则可能则可能RrRr RG1,RG1,这时奥氏体就可这时奥氏体就可能把片状石墨包围住能把片状石墨包围住,造成石墨在奥氏体外造成石墨在奥氏体外壳包围下生产的局面。壳包围下生产的局面。亚共晶灰铸铁的显微组织由初生和共晶团组成,其三维立体结构如图3.1

29、4所示,共晶团大小按单位面积的共晶团数计算,其尺寸取决于铁水的形核能力.灰口铸铁的力学性能一般随共晶团数的增加而增大共晶团有两种形态:即慢冷,石墨分枝少,呈蟹状;快冷,石墨分校多,呈球状。铸铁 及 熔 炼2.3石墨的晶体结构及片状长大石墨的晶体结构及片状长大?1.石墨晶体结构的特点石墨晶体结构的特点2.表面活性元素的选择性吸附表面活性元素的选择性吸附3.石墨的晶体缺陷石墨的晶体缺陷1.石墨晶体结构的特点石墨晶体结构的特点石墨的晶体结构属六方晶系石墨的晶体结构属六方晶系(图图 1.9所所铸铁 及 熔 炼示示),(0001)基面的碳原子按基面的碳原子按共价键共价键结结合合,未饱和共价键垂直于柱面未

30、饱和共价键垂直于柱面,而而(1010)柱柱面的碳原子按面的碳原子按极性键极性键结合结合,未饱和极性键未饱和极性键垂直于基面垂直于基面,由于由于未饱和共价键比未饱和未饱和共价键比未饱和极性键的键能约大极性键的键能约大 20 倍倍,所以碳原子沿所以碳原子沿(0001)晶面或晶面或轴方向的生长速度轴方向的生长速度 Va 比比沿沿(1010)晶面或晶面或 c轴方向的生长速度轴方向的生长速度Vc大得多大得多,这种不同方向的非等速生长是这种不同方向的非等速生长是2.表面活性元素的选择性吸附表面活性元素的选择性吸附铸铁 及 熔 炼工业铁水中不可避免地存在一定数量的氧、硫等表面活性元素工业铁水中不可避免地存在

31、一定数量的氧、硫等表面活性元素,它们能它们能够优先向柱面上吸附够优先向柱面上吸附,因为氧、硫和碳能形成因为氧、硫和碳能形成C-S、C-0 共价键共价键,这样这样柱面就变成原子密度最大的结晶面柱面就变成原子密度最大的结晶面,根据平面晶生核理论根据平面晶生核理论,原子密度最原子密度最大的结晶面的界面能最低大的结晶面的界面能最低,碳原子必然优先在界面能最低的晶面上生长碳原子必然优先在界面能最低的晶面上生长,就是说存在就是说存在氧、硫等表面活性元素更容易满足氧、硫等表面活性元素更容易满足VaVc 条件条件,促使石墨促使石墨按片状方式生长。按片状方式生长。3.石墨的晶体缺陷石墨的晶体缺陷由于杂质元素的干

32、扰由于杂质元素的干扰,石墨晶体在生长过程石墨晶体在生长过程中会出现若干缺陷中会出现若干缺陷,这种缺陷对石墨晶体生这种缺陷对石墨晶体生长影响的明显例证是长影响的明显例证是(1010)面上出现面上出现22或或 28 角的旋转台阶角的旋转台阶(见见图图 3.9 所示所示),不不言而喻言而喻,碳原子在一个完整的晶面上堆积比碳原子在一个完整的晶面上堆积比3 球墨铸铁的一次结晶过程?3.1 球状石墨的结构3.2 球状铸铁的共晶转变3.3 球状石墨的形成机理3.4 蠕虫状石墨形成过程3.1 球状石墨的结构3.球墨铸铁的凝固?铸铁 及 熔 炼片状石墨在生长过程中由于晶格缺陷或杂质元素的干扰而产生分枝片状石墨在

33、生长过程中由于晶格缺陷或杂质元素的干扰而产生分枝,但本质但本质上仍属单晶生长上仍属单晶生长,由于由于a a轴方向比轴方向比C C轴方向生长速度快轴方向生长速度快,并且不断发生分枝并且不断发生分枝,结果结果在共晶团内形成花瓣形结构在共晶团内形成花瓣形结构,在花瓣形石墨片之间夹杂着金属基体。在花瓣形石墨片之间夹杂着金属基体。片状石墨片状石墨/奥氏体共晶团直径约为奥氏体共晶团直径约为(0.51.0)mm,而球状石墨共晶团中央只有而球状石墨共晶团中央只有一粒石墨球一粒石墨球,共晶团直径约为共晶团直径约为1.0mm,石墨球直径约为石墨球直径约为(0.030.05)mm,只占只占共晶团直径共晶团直径1/2

34、5,或相当于片状石墨共晶团直径的或相当于片状石墨共晶团直径的1/151/25.可知可知,球状石球状石墨的生长速度比片状石墨缓慢得多。墨的生长速度比片状石墨缓慢得多。一定成分的铁水经球化和孕育处理后一定成分的铁水经球化和孕育处理后,石墨晶核即从铁水中析出石墨晶核即从铁水中析出,由于微区成分由于微区成分和温度的波动和温度的波动,不同区域产生晶核的时机不一定相同不同区域产生晶核的时机不一定相同,对某一瞬间来说对某一瞬间来说,有的正有的正在形核在形核,有的已进入初期生长阶段有的已进入初期生长阶段,有的石墨球已长成一定尺寸有的石墨球已长成一定尺寸,所以我们实际所以我们实际观察到的球状石墨直径总是大小不一

35、。观察到的球状石墨直径总是大小不一。3.2 球状铸铁的共晶转变球墨铸铁的石墨/奥氏体共晶团的生长过程可用图铸铁 及 熔 炼319来描述假设共晶生长以奥氏体形核开始,在如图3.19(e)所示的过冷条件下,奥氏体经过一段时间生长之后枝晶间的铁水的碳浓度分布如图3.19（b）所示,在奥氏体枝晶附近出现一个富碳区,如果该处有石墨晶核存在则石墨将会生长,于是临近奥氏体的熔体含碳量发生如图3.19(c)的变化。由于石墨球形核和生长导致周围熔体贫碳富铁,从而促使形成奥氏体外壳,随后石墨球在奥氏体包围下生长。碳原子在铁水中的扩散速度比在奥氏体中快20倍左右,所以石墨球形成初期和奥氏体外壳形成以后的生长速度变化

36、很大,奥氏体外壳是阻碍碳原子扩散降低石墨生长速度的主要因素,这种现象有助于保持石墨球状结构,但不是石墨变成球状的根本原因。铸铁 及 熔 炼?图3.20表示球状石墨直接从铁水中析出并形成奥氏体壳的情况。首先,球状石墨在铁水中形核,由于形核需要碳原子从铁水向石墨球聚结,于是,在石墨晶核周围形成一个富铁区,在一定的过冷度条件下,奥氏体外壳在该富铁区内形成,然后球状石墨和奥氏体各自独立生长。球状石墨各个生长阶段的碳浓度变化示于图320(a)、(b)、(c)。?需要指出的是球状石墨和片状石墨的生长模式完全不同,在片墨/奥氏体共晶生长中片墨的(1010)方向的生长速度 RG1起主导作用，而球墨/奥氏体共晶

37、生长中的石墨的0001方向或C轴方向的生长速度RG2起主导作用然而,由于球状石墨结构特殊,实际上在同一过冷度下RG2比RGl小得多,即RG2-T曲线明显右移,如图320(d)所示,而奥氏体的生长速度保持不变;结果在任何过冷度条件下Rr始终大于RG2所以球状石墨一旦形成就很快被奥氏体包围。3.3 球状石墨的形成机理1 固态核心学说铸铁 及 熔 炼核心理论早已有之,并且被广泛接受,作为这个学说的理论根据是晶粒中存在异质核心,它可能是球化元素的化合物,使石墨向所有方向以相同速度生长构成球状石墨。有关固态X 射线、俄歇能谱等,对核心物质鉴定的结果很不一致,有的是镁和硅的化合物,有的是镁和钙、硫夹杂物(

38、图 3.33 所示）。核心的分析已进行了许多研究,曾用现代化的测试手段,如热腐蚀、离子轰击、扫描电镜、草川隆次将石墨萃取出来将(1050)m 石墨压扁到0.03m厚度,用电子探针检查,发现球状石墨中心附近有镁、钙的氧化物和硫化物。也有些球状石墨没有这些夹杂物。石墨中心物质的多样性以及对这些物质存在的普遍性的怀疑是核心理论不能完全令人信服的关键。?3.表面张力及相间张力理论1952年FHButtner首先提出表面张力理论,他发现石墨形状的变化与铁水的表面张力有关，纯净铁水的表面张力为(140160)J/c时石墨为球状,(95130)J/160)J/c时石墨为蠕虫状,(8595)J/C时石墨为片状

39、。石墨之所以保持片状结构是由于铁水中存在过多的表面活性元素,如氧、硫或其它微量干扰元素.加镁、稀土等增加表面张力的元素可使石墨变为球状。?表面张力理论遇到的挑战是铁水加0.16%Al时表面张力上升到159J/c,但石墨仍为片状.深入研究表明,石墨形态的变化与相间张力有关而与表面张力无关。?5 螺旋位错和分枝机理观察发现,球状石墨表面存在螺旋位错结构,如图 3.31 所示,碳原子沿螺旋位错台阶堆积形成小丘,小丘扩大使石墨沿a轴方向生长。由于杂质元素的隔离或吸附使基面不断出现晶格缺陷,它成为基面产生螺旋位错的根源,足够多的位错密度保证C轴方向获得一定的生长速度。由于杂质元素的阻碍或碳原子扩散困难,

40、微晶侧面可能发生孪晶分枝,孪晶旋转角为4022,如图3.32 所示。球状石墨实际上是由若干个锥状微晶组成的聚合体。如每个微晶沿C轴方向的生长速度一致则石墨为圆球状;如其中一个微晶的C轴生长速度特别大则形成球状分枝石墨;如微晶侧向生长速度缓慢,c轴生长迅速,则凝固时两个微晶之间没有堆满碳原子则形成开花状石墨。铸铁 及 熔 炼?(二)气泡理论铸铁 及 熔 炼早期的气泡理论由前苏联学者提出,他认为镁加入铁水后产生大量气泡,气泡上升时和铁水中的CO、CO2 发生以下反应:Mg气十 CO=MgO固+C固十 499.1kJ/mol2Mg气+CO2=2MgC固+C固+410.3kJ/mol生成的碳原子吸附在

41、气泡表面成为石墨的结晶核心,气泡表面层被碳原子填满形成球状石墨,周围熔体因贫碳而成为奥氏体外壳,使石墨在奥氏体包围下生长。早期的气泡理论无法解释往铁水中加入不气化稀土可以使石墨变为球状的问题。日本的张博教授发展了气泡理论,进行大量的试验研究,他描述的球状石墨生长过程,如图 3.30 所示。如果铁水中存在微小气泡则气-液界面是石墨最容易结晶的地方,首先在气泡表面上多处形成石墨微晶,然后这些微晶在C轴方向形成板块晶并沿气泡表面生长,如板块晶生长前沿相互干涉,则该处成为微晶晶界，与此同时,板块晶从气泡表面沿C轴向内部生长,当石墨充满气泡时就形成球状外型.内部结构为放射状多层堆积的网状晶面的石墨。假如

42、石墨充满气泡后铁水中仍有过剩碳,石墨将在气泡的外侧生长.如石墨外围没有完全被奥氏体包围有一部分和液相接触则石墨将沿这个方向快速生长,形成带分枝的球状石墨。3.4 蠕虫状石墨形成过程4 铸铁的二次结晶过程?1.奥氏体中碳的脱溶1)灰铁中共析转变前二次高碳相（二次石墨或二次渗碳体）的析出共析转变：?+G?+Fe3C?a)石墨长于原片上?b)二次渗碳体在晶界上析出2)白口铁中a)二次渗碳体长在一次渗碳体上b)快冷时二次渗碳体在奥氏体内析出2.铸铁的共析转变?共析转变属固态转变，由于原子扩散缓慢，其转变速度要比共晶凝固速度低得多，故共析转变经常有较大过冷，甚至完全被抑止。共析转变是决定铸铁组织的重要环

43、节。共析转变往往按成对长大方式进行。如图1-24。珠光体的形成过程?（一）形貌（二）形核?共析转变谁是先析出相，因不同铸铁不同：共析转变谁是先析出相，因不同铸铁不同：白口铁：可能由白口铁：可能由Fe3C 领先析出灰铸铁：则先由奥氏体中发生碳的脱溶，然后析出铁素体，进而进入共析阶段，这可由石墨边上经常有一薄层铁素体以及D型石墨铸铁易得大量铁素体基体。（三）生长?渗碳体或铁素体从奥氏体界面上并向奥氏体相内生成后，就开始生长。在渗碳体或铁素体同时生长的过程中，各自的前沿和侧面分别有铁和碳的富集。在生长前沿，因产生溶质元素的交替扩散，使晶体生长；在侧面通过搭桥或分枝的方式沿其侧面交替生长，形成新片层，

44、最后形成团状共析领域。?共析转变产物层片间距与转变温度有关，温度低，间距小。共析转变速率随转变温度改变，过冷度增大会使共析领域生长加快。2.铸铁的共析转变1)灰铁中a)形成F+Gb)形成F+Fe3Cc)贝氏体(上:350-450;下:260-350)d)马氏体2)白口铁中a)形成F+Fe3Cb)贝氏体c)马氏体3.铸铁的热处理第三节第三节铸铁的组织影响因素铸铁的组织影响因素?一、化学成分对铸铁组织的影响一、化学成分对铸铁组织的影响1碳和硅对铸铁组织和力学性能的影响碳和硅对铸铁组织和力学性能的影响2硫和锰对铸铁组织和力学性能的影响硫和锰对铸铁组织和力学性能的影响3磷对铸铁组织和力学性能的影响磷对

45、铸铁组织和力学性能的影响4.合金元素对铸铁组织和力学性能的影响合金元素对铸铁组织和力学性能的影响?二、主要工艺因素对铸铁组织的影响二、主要工艺因素对铸铁组织的影响1.冷却速度的影响冷却速度的影响2.铸件结构的影响铸件结构的影响3.浇铸温度的影响浇铸温度的影响4.气体的影响气体的影响5.炉料的影响炉料的影响6.铸型材料的影响铸型材料的影响7.铁液的过热和高温静置的影响铁液的过热和高温静置的影响8.孕育的影响孕育的影响一、化学成分对铸铁组织的影响一、化学成分对铸铁组织的影响?1碳和硅对铸铁组织和力学性能的影响碳和硅对铸铁组织和力学性能的影响碳硅是促进石墨化元素，提高碳当量可使石墨增多，石墨碳硅是促

46、进石墨化元素，提高碳当量可使石墨增多，石墨粗大，共晶团颗粒增大，降低碳含量，可减少石墨的数量，粗大，共晶团颗粒增大，降低碳含量，可减少石墨的数量，使石墨细化。若碳当量过低，因增大了铸铁的结晶范围，使石墨细化。若碳当量过低，因增大了铸铁的结晶范围，使晶间石墨增多。使晶间石墨增多。2硫和锰对铸铁组织和力学性能的影响硫和锰对铸铁组织和力学性能的影响阻碍石墨化Mn溶于Fe3C中，增加Fe与C的结合力，从而阻止石墨化。少量的S就能形成FeS或MnS，以FeSFe共晶形式分布于晶界，阻碍C原子扩散；S可以降低铁水的流动性，恶化铸件性能。?3磷对铸铁组织和力学性能的影响磷对铸铁组织和力学性能的影响?4.合金

47、元素对铸铁组织和力学性能的影响合金元素对铸铁组织和力学性能的影响?Al、C、Si、Ti、Ni、Cu、P、Nb、Mn、Mo、S、?Cr、V、Fe、Mg，Nb为中性元素，Nb之前为石墨化?元素，之后为反石墨化元素，各元素位置离 Nb越?远，其作用越强。二、主要工艺因素对铸铁组织的影响二、主要工艺因素对铸铁组织的影响1.冷却速度的影响冷却速度的影响冷速慢有利于按冷速慢有利于按FeFeC C相图进行结晶，石墨化相图进行结晶，石墨化越容易进行。越容易进行。冷速快有利于冷速快有利于形成白口铁形成白口铁不同不同C+Si含量，不同壁厚（冷却速度）铸件的组织含量，不同壁厚（冷却速度）铸件的组织?2.铸件结构的影响铸件结构的影响铸铁的铸铁的冷却速度冷却速度主要决定于铸件的壁厚和铸型材料。主要决定于铸件的壁厚和铸型材料。例如铸铁在砂型中冷却比在金属型中冷却慢；铸件越厚，例如铸铁在砂型中冷却比在金属型中冷却慢；铸件越厚，冷却越慢。这样的铸件有利于石墨化。冷却越慢。这样的铸件有利于石墨化。?3.浇铸温度的影响浇铸温度的影响提高浇注温度可稍使石墨粗化4.气体的影响气体的影响?5.炉料的影响炉料的影响6.铸型材料的影响铸型材料的影响7.铁液的过热和高温静置的影响铁液的过热和高温静置的影响8.孕育的影响孕育的影响