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铸铁的组织性能
发布时间:2018/9/18 15:25:33  点击:525

铸铁属于铁基高碳多元合金,其常存元素,除铁以外,一般含w(C)为2%~4%①、w(S1)为1%~3%以及锰、磷、硫。碳在铸铁中通常以三种状态存在:形成石墨晶体单独存在;与铁形成二元或多元化合物以化合状态存在;溶入a—Fc或Y—Fe中以固溶状态存在。

由于化学成分和结晶条件不同,铸铁液—固相变有二重性,凝固后产生不同的高碳相,即渗碳体或石墨。渗碳体组织在高温下不稳定,发生分解,分解出来的碳,大部分转变为石墨晶体,因而渗碳体属于可分解的亚稳定相,石墨晶体则称为稳定相。不同的高碳相赋予铸铁以截然不同的性能。高碳相为渗碳体的铸铁断面呈银白色,硬而脆,称为白口铸铁。高碳相为石墨的铸铁断面呈灰黑色,硬度低,称为灰口铸铁。铸铁组织中高碳相类型、形态、数量、分布状态都影响铸铁性能。

铸铁组织的形成经历两个阶段。第一阶段为凝固过程,形成凝固组织;第二阶段为固态相变过程,由凝固组织转变为室温组织。

了解铸铁组织及其形成过程和转变规律通常需要借助铁碳合金相图。相图上的相区、相变临界点数据来自实验或热力学计算,这些数据符合热力学平衡条件。也就是说,合金温度发生变化时,其组分原子有充分时间迁移而达到该温度下的浓度平衡。平衡状态虽然难以在铸件实际相变过程中出现,但要认识合金组织形成过程和组织转变规律,首先需依靠合金相图。

碳和硅都是铸铁中主要常存元素。硅的存在使铁碳相图发生 明显变化,有助于提高铁碳合金按稳定系转变倾向。因此,硅是影响铸铁组织的重要元素。为了进一步掌握铸铁组织的变化规律,人们构建了铁碳硅三元相图。三元相图比铁碳二元相图更加接近工业铸铁实际情况。
铸铁中含有强度和硬度都很低的石墨。石墨破坏了材料的连续性和整体性,使其断裂和变形的性质不同于钢,并导致力学性能出现一些特有变化规律。

铸铁力学性能受到一系列因素的影响。最显著的影响是石墨的形态、数量和分布状态,其他组成相的类型、化学成分、分布状态以及铸件成形和处理过程也有一定影响。本章将从铸铁断裂特征及机制开始讨论各项力学性能及其影响因素,内容侧重常温及低温力学性能。

1灰铸铁的断裂

材料在外力作用下产生的应力超过自身断裂强度后发生断裂。断裂是机械零件失效的重要因素之一。

材料断裂过程比较复杂。但是总体上看,都要经历内部裂口萌主(裂口形核)、裂口扩展、断裂三个阶段。断裂前不发生明显塑拦王形的断裂属于脆性断裂。在正应力作用下,脆性断裂是材料原子间结合力最弱的晶体学平面(解埋面)分离而形成的断裂,也称解瑚断裂。出现明显塑性变形后发生的断裂称为延性断裂。廷生断裂是在切应力作用下沿滑移面发生滑移而导致的断裂,也称剪切断裂。

亏关脆性断裂的裂口形核机制,位错塞积理论认为,材料受力后运动位错受到晶界和杂质相阻挡产生位错塞积。塞积群所构成回应中集中超过材料强度时,塞积群前端萌牛裂u,脆性断裂前裂口以极决速度扩展。根据应力关系分析,材料屈服应力同时大于口形核应力和断裂应力时,一旦有裂口萌生,将在无塑变情况下断裂 。

下面以拉伸断裂为例说明铸铁断裂过程。实验观察证实,灰铸铁拉伸断裂开始于石墨片断裂。石墨内部存在许多晶体缺陷,如旋转晶界、刃型位错与螺位错、孪晶界、小角度倾斜晶界等。低应力下,石墨可能沿旋转晶界撕裂成小段,也可能因孪晶或倾斜晶界上的位错塞积而沿六方晶格的(0001)面滑移导致劈裂。大多数微裂口发生于孪晶界,可认为孪晶界位错塞积应力是裂口产生的主要根源。


铸铁的工艺性能主要有铸造性能、焊接性能和切削性能。


1.成分与组织特点

铸铁与碳钢相比较,其化学成分中除了有较高的C、Si含量外(C2.5%~4,0%、Si1.0%一3.0%),还含有较高的杂质元素Mn、P,S,在特殊性能的合金铸铁中,还含有某些合金元素。所有这些元素的存在及其含量,都将直接影响铸铁的组织和性能。

由于铸铁中的碳主要是以石墨(G)形式存在的,所以铸铁的组织是由金属基体和石墨所组成的。铸铁的金属基体有珠光体、铁素体和珠光 体加铁素体三类,它们相当于钢的组织。因此,铸铁的组织特点,可以看成是在钢的基体上分布着不同形状的石墨。

2.铸铁的性能特点

铸铁的抗拉强度、塑性和韧性要比碳钢低。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性能。如良好的耐磨性、高消振性、低缺口敏感性以及优良的切削加工性能。此外 ,铸铁的碳含量高,其成分接近于共晶成分,因此铸铁的熔点低,约为1200℃左右,铁水流动性好,由于石墨结晶时体积膨胀,所以传送收缩率小,其铸造性能优于钢,因而通常采用铸造方法制成铸件使用,故称之为铸铁。

性能折叠编辑本段
1.优良的铸造性能

由于友铸铁的化学成分接近共晶点,所以铁水流动性好,可以铸造非常复杂的零件。另外,由于石墨比容较大,使铸件凝固时的收缩量减少,可简化工艺,减轻铸件的应力并可得到致密的组织。

2.优良的耐磨性和消震性

石墨本身具有润滑作用,石墨掉落后的空洞能吸附和储存润滑油,使铸件有良好的耐磨性。此外,由于铸件中带有硬度很高的磷共晶,又能使抗磨能力进一步提高,这对于制备活塞环、气缸套等受摩擦零件具有重要意义。

石墨可以阻止后动的传播,灰铸铁的消夸大能力是钢的10倍,常用来制作承受振动的机床底座。

3.较低的缺口敏感性和良好的切削加工性能

灰铸铁中由于石墨的存在,相当于存在很多小的缺口时表面的缺陷、缺口等几乎没有敏感性,因此,表面的缺陷对铸铁的疲劳强度影响较小 ,但其疲劳强度比钢要低。由于发铸铁中的石墨可以起断屑作用和对刀具的润滑起减障作用,所以其可切削加工性是优良的。

4.灰铸铁的机械性能

铸铁的抗拉强度、塑性、韧性及弹性模量都低于碳素锈钢,如表所示。灰铸铁的抗压强度和硬度主要取决于基体组织。灰铸铁的抗压强度一般比抗拉强度高出三四倍 ,这是灰铸铁的一种特性。因此,与其把灰铸铁用作抗拉零件还不如做耐压零件更适合。这就是广泛用作机床床身和支柱受耐压零件的原因。

热处理工艺折叠编辑本段
1.消除应力退火

由于铸件壁厚不均匀,在加热,冷却及相变过程中,会产生效应力和组织应力。另外大型零件在机加工之后其内部也易残存应力,所有这些内应力都必须消除。去应力退火通常的加热温度为500~550℃保温时间为2~8h,然后炉冷(灰口铁)或空冷(球铁)。采用这种工艺可消除 铸件内应力的90~95%,但铸铁组织不发生变化。若温度超过550℃或保温时间过长,反而会引起石墨化,使铸件强度和硬度降低。

2.消除铸件白口的高温石墨化退火

铸件冷却时,表层及薄截面处,往往产生白口。白口组织硬而脆、加工性能差、易剥落。因此必须采用退火(或正火)的方法消除白口组织。退火工艺为:加热到550-950℃保温2~5 h,随后炉冷到500-550℃再出炉空冷。在高温保温期间 ,游高渗碳体和共晶渗碳体分解为石墨和A,在随后护冷过程中二次渗碳体和共析渗碳体也分解,发生石墨化过程。由于渗碳体的分解,导致硬度下降,从而提高了切削加工性。

3.球铁的正火

球铁正火的目的是为了获得珠光体基体组织,并细化晶粒,均匀组织,以提高铸件的机械性能。有时正火也是球铁表面淬火在组织上的准备、正 火分高温正火和低温正火。高温正火温度一般不超过950~980℃,低温正火一般加热到共折温度区间820~860℃。正火之后一般还需进行四人处理,以消除正火时产生的内应力。

4.球铁的淬火及回火

为了提高球铁的机械性能,一般铸件加热到Afc1以上30~50℃(Afc1代表加热时A形成终了温度),保温后淬入油中,得到马氏体组织。为了适当降低淬火后的残余应力,一般淬火后应进行回火,低温回火组织为回火马氏作加残留贝氏体再加球状石墨。这种组织耐磨性好 ,用于要求高耐磨性,高强度的零件。中温回火温度为350-500℃回火后组织为回火屈氏体加球状石墨,适用于要求耐磨性好、具有一定效稳定性和弹性的厚件。高温 回火温度为500-60D℃,回火后组织为回火索氏作加球状石墨,具有韧性和强度结合良好的综合性能,因此在生产中广泛应用。

5.球铁的多温淬火

球铁经等温淬火后可以获得高强度,同时兼有较好的塑性和韧性。多温淬火加热温度的选择主要考虑使原始组织全部A化、不残留F,同时也避免A晶粒长大。加热温度一般采用Afc1以上30~50℃,等温处理温度为0~350℃以保证获得具有综合机械性能的下贝氏体组织。稀土镁铝球铁等 温淬火后σb=1200~1400MPa,αk=3~3.6J/cm2,HRC=47~51。但应注意等温淬火后再加一道回火工序。

6.表面淬火

为了提高某些铸件的表面硬度、耐磨性及疲劳强度,可采用表面淬火。灰铸铁及球铁铸件均可进行表面淬火。一般采用高(中) 频感应加热表面淬火和电接触表面淬火。

7.化学热处理

对于要求表面耐磨或抗氧化、耐腐蚀的铸件,可以采用类似于钢的化学热处理工艺,如气体软氯化、氯化、渗硼、渗硫等处理。

灰铸铁折叠编辑本段
灰铸铁抗拉强度及硬度的变化是由于机体组织及石墨大小、数量不同的结果。

纯铁素体为基体的灰铸铁:强度、硬度最低,纯珠光体为基体的灰铸铁:强度、硬度较高,改变基体中铁素体及珠光体相对含量,可得不同的抗拉强度及硬度的HT,石墨呈粗片状的灰铸铁,抗拉强度较低,石墨呈细片状的灰铸铁其抗拉强度较高。

灰铸铁中碳的存在状态及其基体组织决定于铸件冷却速度:铸铁
铸铁

①铁水以很快速度冷却时,第一阶段石墨化过程(共析温度以上)及第二阶段石墨化过程(共析温度下)完全被抑止将得到共晶渗碳体+二次渗碳体+珠光体组织,即白口铸铁组织。[铁碳相图:铁水当温度冷却到液相时,开始从液相析出(γ)。1147共析温度。L→γ+Fe3C(共晶渗碳体) 温度下降,A的饱和固溶碳量随温度下降而降低,因而析出二次渗碳体,此反应持续到共析温度。在共析反应中,A转变为珠光体。冷却到室温后,组织由共晶渗碳体+二次渗碳体+珠光体组成]。

②铁水以很慢的速度冷却时由于渗C体是不稳定相,而石墨是稳定相。第一阶段和第二阶段石墨化过程都进行得很充分,最后得纯铁素体的灰铸铁组织。

③若石墨化的第一阶段进行很完全,第二阶段石墨化过程进行得不完全,则得珠光体+铁素体、灰铸铁。

不同元素对铸铁石墨化及白口化的影响。


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