单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Page,*,/907,Fundamentals of Materials Science,20,12,Yang Li,材料科学基础,20,12,Yang Li,Fundamentals of Materials Science,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Page,1,/907,20,12 Yang Li,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Page,*,/907,Fundamentals of Materials Science,20,12 Yang Li,第五章 铸铁,铸铁石墨化过程及影响因素；,铸铁的分类、成分、组织、性能、用途,本章目的,:,掌握铁碳双重相图,深入理解铸铁的石墨化过程与影响因素，石墨形态对铸铁性能的影响，铸铁的热处理特点，常用铸铁的牌号、组织和用途,本章重点：,第五章 铸铁铸铁石墨化过程及影响因素；本章,第一节 概述,第二节 常用铸铁,第三节 特殊性能铸铁,本章的主要内容,第一节 概述本章的主要内容,第一节 概述,铸铁：,含碳量大于,2.11%,的铁碳合金,。实际应用的铸铁中还会含有较多的,Si,、,Mn,和其他一些杂质元素。为了提高铸铁的性能，还可以加入一定量的合金元素，组成,合金铸铁,。,同钢相比，虽然强度、塑性和韧性较低，但是,铸铁熔炼简便,，,成本低廉,，具有优良的,铸造性能,、很高的,耐磨性,、良好的,减振性,和,切削加工性能,等一系列的优点，因此而获得较为广泛的应用。,第一节 概述 铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金。,在汽车上，重量约为,50%70%,的金属材料为铸铁。如：,汽缸体、变速箱体、后桥壳、曲轴,等。随着科技的发展，新型铸铁的不断出现，为铸铁的广泛应用开辟更广泛的前景，目前有些零部件（曲轴、齿轮），形成了,以铁代钢,的趋势。,在汽车上，重量约为50%70%的金属材料为铸铁。如：汽缸体,碳的存在形式：,固溶于,A,和,F,中,化合物渗碳体（,Fe,3,C,）,游离态的石墨（,G,）,石墨特点：,C%,100%,简单六方晶体结构,强度、塑性和韧性极低,松软相，相当于孔洞和裂缝,Fe,3,C3Fe+G,亚稳相 稳定相,graphite,一、铸铁组织的形成,碳的存在形式：石墨特点：Fe3C3Fe+G亚稳相,碳存在的形式,及断口的颜色,白口铸铁,灰铸铁,麻口铸铁,渗碳体,游离的石墨,渗碳体,游离的石墨,根据碳在铸铁中的存在形式，铸铁可分为：,碳存在的形式白口铸铁灰铸铁麻口铸铁渗碳体游离的石墨渗碳体游离,铁碳合金双重相图,Fe-Fe,3,C,相图,Fe-G,相图,铁碳合金双重相图 Fe-Fe3C相图,渗碳体是亚稳定相，而石墨才是稳定相。,热力学条件：,有利于石墨化的过程,动力学条件：,主要有,成分起伏、结构起伏和原子扩散,。有利于渗碳体的形成,为了使,G,化进行，可人为地改变热力学和动力学条件。,铸铁的石墨化过程,渗碳体是亚稳定相，而石墨才是稳定相。铸铁的石墨化过程,成分起伏,L,4.3%C,Fe,3,C,（,6.69%C,）,+A,G,（,100%C,）,+A,结构起伏,L,（或,-Fe,）,Fe,、,C,并存,(,面心,),Fe,3,C,（复杂斜方结构）,G,（六角形层状结构）,比较接近,浓度差小,成分起伏LFe3C（6.69%C）+AG（100%C）+,原子扩散,G,长大，不但要,C,原子扩散集中，而且,Fe,原子要从,G,生长前沿逆向扩散。,而,Fe,3,C,长大只要,C,扩散，,Fe,原子局部移动即可。,G,长大较难。,有利于,Fe,3,C,长大,原子扩散 G长大，不但要C原子扩散集中，而且Fe,化学成分,：,C,、,Si,促进石墨化,冷却速度,：冷速慢有利碳原子的充分扩散，易于石墨化。受铸件厚度和铸型材料影响,影响石墨化的因素：,化学成分：C、Si 促进石墨化影响石墨化的因素：,化学成分的影响,C Si,C,和,Si,是基本成分，是,G,元素。石墨来源于,C,。,Si,含量一般在,0.83.5%,之间，,Si,的加入对,Fe-G,相图发生变化。,Si,作用,共晶点和共析点碳量随硅含量的而；,使共晶和共析转变在一温度范围内进行；,共晶和共析温度。共析温度提高更多，大约每,1,Si,，可使共析温度,28,；,Si,促进铸铁石墨化的作用相当于,1/3C,。,化学成分的影响 C Si C和Si是基本成分，是,G,化，,1/3C,作用。,0.2%,后，出现硬脆,Fe,3,P,，呈孤立、细小、均匀分布时，可耐磨性。若粗大连续网状分布，将强度，铸件脆性。,除在耐磨铸铁中可达,0.51.0%,外，在普通铸铁中都作为杂质，通常灰铁中,P,含量控制在,0.2%,。,G,化；,Mn,能与,S,结合生成,MnS,，削弱硫的有害作用。铸铁中含锰量一般在,0.51.4%,范围内，如要获得铁素体基体，含锰量应取下限。,P,Mn,G化，1/3C作用。0.2%后，出现硬脆Fe3P，,白口；铁水流动性，恶化铸造性；形成,FeS,，分布晶界，使铸铁变脆。,S,是有害元素，其含量应尽量低，一般将,S,限制在,0.15%,以下,S,促进石墨化元素,阻碍石墨化元素,+Al,、,C,、,Si,、,Ni,、,Cu,W,、,Mn,、,Mo,、,S,、,Cr,、,Fe,、,Mg,白口；铁水流动性，恶化铸造性；形成FeS，分布晶界，使,冷却速度的影响,化学成分选定后，改变铸铁各阶段冷却速度，可以在很大范围内改变铸态组织。,V,冷,越缓慢，越有利于按,Fe-C,状态图进行结晶和转变。尤其是共析阶段,G,化，通常情况下，共析阶段的,G,化难以完全进行,在生产中，铸件冷却速度是一个综合因素，它与浇注温度、铸型条件以及铸件壁厚均有关系。同一铸件不同壁厚处具有不同组织和性能，称之为铸件壁厚敏感效应。铸件壁厚是设计的，难以改变，对已知壁厚铸件，可调整化学成分来保证获得所需组织,.,冷却速度的影响 化学成分选定后，改变铸铁各阶段,石墨形成的两个阶段：,G,共晶石墨,G,共析石墨,第二阶段：低温石墨化阶段,共析石墨,第一阶段：高温石墨化阶段,一次石墨（,G,）、共晶石墨、二次石墨（,G,）,石墨形成的两个阶段：G共晶石墨G 共析石墨第二阶段：低温,石墨化进行程度,铸铁的显微组织,铸铁类型,性能特点,第一阶段石墨化,第二阶段石墨化,完全进行,完全进行,F+G,灰口铸铁,Grey cast iron,断口为暗灰色,部分进行,F+P+G,未进行,P+G,部分进行,未进行,Le+P+G,麻口铸铁,Mottle cast iron,具有较大的硬度和脆性,未进行,未进行,(CFe,3,C),Le,白口铸铁,White cast iron,断口白亮,硬而脆,用作炼钢原料,铸铁的组织和分类,石墨化进行程度 铸铁的显微组织 铸铁类型 性能特点第一阶段石,分类,灰铸铁,Grey cast iron,球墨铸铁,Spheroidal graphite cast iron,可锻铸铁,Malleable cast iron,石墨,形态,片状,flake,球状,spherical,团絮状,flocculent,基体,组织,基体（,F,、,F+P,、,P,）,二、石墨与基体对铸铁性能的影响,分类灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁石墨片状球状团絮状基体基体（F、,铸铁的机械性能主要取决于铸铁基体组织以及石墨的数量、形状、大小及分布特点。,石墨机械性能很低，硬度仅为,3HB,5HB,，抗拉强度为,20MPa,，延伸率接近零。,石墨与基体相比，其强度和塑性都要小得多。,铸铁性能,石墨的形态,抗拉强度,（,MPa,）,伸长率,（,%,）,无缺口试样冲击韧度,(J/cm,2),粗片状,100-200,0-0.3%,0-3,细片状,200-400,0.2-0.5%,3-8,团絮状,450-700,2.5-5%,5-15,球状,600-800,2.0-4.0,15-30,铸铁的机械性能主要取决于铸铁基体组织以及石墨的数量、,石墨造成脆性切削，铸铁的切削加工性能优异。,铸铁的铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨产生的膨胀，减少铸件体积的收缩，降低铸件中的内应力。,石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件有很好的耐磨性能。,石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能,大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。,虽然铸铁的机械性能不如钢，但由于石墨的存在，却赋予铸铁许多为钢所不及的特殊性能：,石墨造成脆性切削，铸铁的切削加工性能优异。虽然铸,第二节 常用铸铁,铸铁中的石墨形态、尺寸以及分布状况对性能影响很大。铸铁中石墨状况主要受铸铁的化学成分及工艺过程的影响。通常铸铁中石墨形态,(,片状或球状,),在铸造后即形成，也可将白口铸铁通过退火，让其中部分或全部的碳化物转化为团絮状形态的石墨。,第二节 常用铸铁 铸铁中的石墨形态、尺寸以及分布状况对,灰铸铁是指,石墨呈片状分布,的灰口铸铁。其产量约占铸铁总产量的,80%,以上。,一、灰铸铁,命名,HT+,三位数字，表示最低的抗拉强度。,如：,HT100,，,HT150,、,HT200,、,HT250,、,HT300,、,HT350,。,灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。其产量约占铸铁总,组织,石墨片的三维形貌,铁素体灰铸铁（,F+G,）,珠光体灰铸铁（,P+G,）,铁素体加珠光体灰铸铁,(F+P+G),组织石墨片的三维形貌铁素体灰铸铁（F+G）珠光体灰铸,分类,牌号,显微组织,基体,G,普通,灰铸铁,HT100,F,粗片,HT150,F,+,P,较粗片,HT200,P,中等片,孕育铸铁,HT250,P,较细片,HT300,细,P,细片,HT350,S,或,T,牌号,抗拉强度值，,MPa,分类牌号显微组织基体G普通HT100F粗片HT150F+,耐磨性好,石墨有利于润滑、储油。,抗压强度高,抗拉强度、塑韧性比钢低。,消震性好,（是钢的十倍）,G,组织松软,铸造性好,接近共晶成分、熔点低、流动性好、凝固收缩小。,切削加工性好,G,使切屑易断，还可润滑刀具,抗拉强度低、塑韧性很差,基体强度不能充分发挥，其强度利用率仅,3050%,，表现为,b,很低，塑性和韧性几乎为零,性能,耐磨性好 石墨有利于润滑、储油。性能,热处理只改变基体组织，不改变石墨形态，灰铸铁强度只有碳钢的,30-50%,，所以灰铸铁热处理不能显著改善其力学性能，主要为消除铸件内应力，稳定尺寸，改善切削加工性能和提高表面耐磨性。,灰铸铁常用的热处理有：,消除内应力退火,(,又称人工时效,),消除白口组织退火或正火,表面淬火,灰铸铁的热处理,热处理只改变基体组织，不改变石墨形态，灰铸铁强度只有,制造,承受压力和震动的零件,如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。,大型船用柴油机汽缸体,(HT300),重型机床床身,(HT250),变速箱体,应用,制造承受压力和震动的零件,如机床床身、各种箱体、壳体,石墨呈,团絮状,的灰口铸铁，是,由白口铸铁经石墨化退火获得,的。石墨呈团絮状，对基体破坏作用较小，所以比灰铸铁具有较高的强度强度为碳钢的,0-,0%,，接近于铸钢、塑性和冲击韧度，但不能锻造。,二、可锻铸铁,命名,KT+,种类,+,三位数字,-,两位数字，种类：,H,：黑心铸铁，,Z,珠光体铸铁，三位数字：最低抗拉强度，两位数字：最低的伸长率。如,KTH300-06,，,KTZ450-06,石墨呈团絮状的灰口铸铁，是由白口铸铁经石墨化退火获得,强度为碳钢的,4070%,，接近于铸钢。,名为可锻，实不可锻,可锻铸铁的石墨化退火,性能,强度为碳钢的4070%，接近于铸钢。可锻铸铁的石墨化,黑心可锻铸铁（,F,G,）,珠光体可锻铸铁,（,P,G,）,可锻铸铁石墨化退火工艺曲线,组织,基体,(F,、,P),团絮状,G,黑心可锻铸铁（