老陸聊鑄鐵組織。話說不愛聽課朋友，不要聽到鑄鐵組織，聽到鐵素體、珠光體、奧氏體、共晶團(tuán)、共析，就怕的不要不要的。其實(shí)，這沒有什么可怕的，也不難。要學(xué)好鑄鐵組織成分知識(shí)，記住這兩點(diǎn)：

一、掌握規(guī)律性，雖然鑄鐵的組織成分列成化學(xué)名單，是一串的專業(yè)術(shù)語。但是，只要你在學(xué)習(xí)中記住那種組織成分和那種組織的相關(guān)性，了解系統(tǒng)知識(shí)也就不難了。比如鐵素體，你就記住，鑄鐵在什么情況下生成鐵素體？哪些元素會(huì)增加鑄鐵中鐵素體數(shù)量？哪些元素會(huì)減少鐵素體的數(shù)量？鐵素體對(duì)鑄鐵的力學(xué)性能有哪些影響？

學(xué)問，什么是學(xué)問呢？就是要把自己心中疑問解答出來，這就是學(xué)習(xí)了！先插播一個(gè)廣告，然后大家看含金量鑄鐵知識(shí)概念，把這個(gè)弄懂了，弄透了，再學(xué)鑄造知識(shí)就會(huì)容易很多。

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鑄鐵組織概述

 1.3.2 基體組織

a. 基體組織的分類

鑄鐵的基體組織隨著凝固時(shí)的冷卻速度以及合金元素的含量、熱處理而變化。鑄鐵由鐵素體、珠光體、滲碳體、奧氏體、馬氏體、貝氏體等各種基體構(gòu)成，還存在各種夾雜物

（?。╄F素體

鐵素體也稱為α鐵或α固溶體，是含有極微量的碳，密度7.9，抗拉強(qiáng)度200～400MPa，布氏硬度HB90～150的體心立方晶格的軟質(zhì)鐵。鑄鐵中的鐵素體中固溶了硅，叫做硅鐵素體，硅含量越高，抗拉強(qiáng)度、硬度也越高。鑄鐵中鐵素體多出現(xiàn)在石墨近旁，和滲碳體一樣難于被腐蝕，光學(xué)顯微鏡下可見白色，用5%硝酸酒精溶液腐蝕后出現(xiàn)晶界，因此能夠與滲碳體區(qū)分。

（ⅱ）滲碳體

滲碳體是三個(gè)鐵原子和一個(gè)碳原子組成的斜方晶化合物，密度7,7，布氏硬度HB550。是鑄鐵組織中最硬脆的組織。在鑄鐵中，作為介穩(wěn)定系凝固時(shí)奧氏體的共存相及其后共析相變時(shí)鐵素體的共存相出現(xiàn)。

（ⅲ）珠光體

介穩(wěn)定系共析轉(zhuǎn)變時(shí)奧氏體分解（相變）為鐵素體與滲碳體，這兩相呈立體板狀交互重疊生成，在光學(xué)顯微鏡下可見層狀或織錦狀（參見圖1.22）。是密度7.8，抗拉強(qiáng)度800～900MPa,布氏硬度HB200～240的極其強(qiáng)韌的組織。

球墨鑄鐵中通常有鐵素體和珠光體共存，被稱為牛眼組織。圖1.14為鐵素體和珠光體共存組織。

（ⅳ）奧氏體

奧氏體也稱為γ-Fe或γ固溶體，最大約固溶2%的碳，密度7.7，布氏硬度HB110～250，面心立方晶，非磁性。奧氏體在共析相變時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和石墨或者是鐵素體和滲碳體，因此在常溫下一般不呈現(xiàn)奧氏體，但是一旦大量添加鎳或錳，如后面所述，在常溫下鑄鐵中也會(huì)呈現(xiàn)奧氏體。

（ⅴ）馬氏體

通常，鋼經(jīng)過淬火后出現(xiàn)的組織是馬氏體。鑄鐵以奧氏體不能發(fā)生共析相變的冷卻速度快速冷卻時(shí)，在200℃以下，伴隨著大體積膨脹發(fā)生相轉(zhuǎn)變。這時(shí)生成的相被稱為馬氏體，是密度7.6, 抗拉強(qiáng)度1000～2000MPa，布氏硬度HB280～420的成竹葉狀極硬的組織。

（ⅵ）貝氏體

在鑄鐵中添加鉬、鎳、銅，或者實(shí)施等溫相變處理，就會(huì)從鐵素體和高碳奧氏體轉(zhuǎn)變成貝氏體。對(duì)鋼實(shí)施等溫淬火，就會(huì)獲得鐵素體和微細(xì)滲碳體混合的貝氏體組織。鑄鐵含有硅，抑制了滲碳體的形成，就從奧氏體析出了鐵素體和高碳奧氏體。因此與鋼中出現(xiàn)的貝氏體組織不同。這個(gè)組織也被稱為奧氏鐵素體，是極其強(qiáng)韌的組織。

b.其他基體組織

（i）斯氏體

在含磷高的鑄鐵中，F(xiàn)e-C系共晶凝固后在奧氏體晶界上析出Fe3P-Fe3C-Fe(α)的三元共晶斯氏體（圖1.16）12）。斯氏體極其堅(jiān)硬，呈網(wǎng)目狀析出，所以有提高耐磨性的效果。此外，斯氏體的溶點(diǎn)低，為955℃，在其他相凝固后仍為液態(tài)，所以含磷高的鑄鐵流動(dòng)性得以改善。

（ii）硫化錳

硫化錳是錳與硫的化合物（MnS），在光學(xué)顯微鏡下可見灰色小結(jié)晶。硫阻礙鑄鐵的石墨化，錳和硫反應(yīng)生成MnS，中和了硫的危害。

（iii）碳化鈦

碳化鈦（TiC）是鈦和碳的化合物。含鈦多的鑄鐵在光學(xué)顯微鏡下可以看到紅色小結(jié)晶，即碳化鈦。碳化鈦固溶了氮，也可以碳氮化鈦Ti（C，N）存在。

c．基體組織的形成過程

鑄鐵的基體組織，在不添加大量合金元素，不進(jìn)行熱處理的情況下，一般是形成鐵素體、珠光體或者二者的混合組織。下面用圖1.1的Fe-C狀態(tài)圖說明基體組織的生成過程。

含硅量少的鑄鐵在室溫下形成含有一次滲碳體的珠光體組織，不出現(xiàn)鐵素體。在圖1.1所示的Fe-C狀態(tài)圖上，穩(wěn)定系共晶凝固完了后的鑄鐵組織僅由石墨和奧氏體組成。在冷卻過程中，沿著ES(Acm)線變化，在奧氏體晶界析出一次滲碳體(Fe3C),冷卻到共析溫度時(shí)，以晶界的一次滲碳體為核心生成珠光體，珠光體在基體中擴(kuò)大，到室溫下形成了石墨、一次滲碳體、珠光體的組織。

但是實(shí)際上使用的鑄鐵含有百分之幾的硅，即使獲得全部珠光體組織，在基體中也不會(huì)出現(xiàn)一次滲碳體。

含有適量硅的鑄鐵的基體組織是鐵素體和珠光體的混合組織。在這樣的鑄鐵中，共晶凝固后的冷卻過程中不會(huì)從奧氏體中析出一次滲碳體，而會(huì)沿著E’S’(Agr) 線析出石墨，他在共晶凝固時(shí)形成的石墨上析出。冷卻到共析轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，在石墨周圍大量鐵素體核心生成，在基體中成長(zhǎng)起來，在奧氏體和鐵素體的境界上生成珠光體，冷卻到室溫就形成了鐵素體和珠光體的基體組織（圖1.1713））。硅含量更多的鑄鐵，或者冷卻速度很慢的鑄鐵，在奧氏體和鐵素圖的境界不析出珠光體，就形成了僅有鐵素體的組織（圖1.1813））。

這樣，按照穩(wěn)定系凝固的鑄鐵的基體組織，在其后的共析轉(zhuǎn)變中是鐵素體化，還是珠光體化，或者形成鐵素體和珠光體混合組織。這個(gè)就是狀態(tài)圖的共析轉(zhuǎn)變是按照穩(wěn)定系還是按照介穩(wěn)定系的問題了。它取決于鑄件的冷卻速度以及含硅量等化學(xué)成分。

1.4 鑄鐵的凝固

1.4.1 灰鑄鐵的凝固

圖1.19是Fe-C系平衡狀態(tài)圖上（在圖中用虛線表示）含碳量約3%的亞共晶成分灰鑄鐵的共晶凝固（固相-液相轉(zhuǎn)變）和共析轉(zhuǎn)變（固相-固相轉(zhuǎn)變）的模式示意圖。鑄鐵從液態(tài)（a點(diǎn)）隨溫度下降達(dá)到液相線（b點(diǎn)），初晶奧氏體呈樹枝狀晶析出，然后按照?qǐng)D1.19模式圖①那樣結(jié)晶出奧氏體直到共晶溫度為止，奧氏體的成長(zhǎng)一直持續(xù)進(jìn)行。過共晶成分的情況下，作為初晶，鐵液中首先析出初晶石墨，達(dá)到共晶溫度為止，初晶石墨的結(jié)晶一直持續(xù)進(jìn)行。冷卻達(dá)到共晶溫度（C點(diǎn)）時(shí)，片狀石墨和奧氏體同時(shí)析出，即共晶凝固開始。

共晶凝固如圖1.19②所示,奧氏體和石墨形成共晶團(tuán)集團(tuán)，伴隨凝固的進(jìn)行而長(zhǎng)大，直到相鄰的共晶團(tuán)集團(tuán)連接起來，生長(zhǎng)終止。共晶團(tuán)從整體看是個(gè)球體，凝固進(jìn)行時(shí)鐵液中析出大量共晶團(tuán)，共晶團(tuán)相互接觸，鐵液逐漸消失，凝固就結(jié)束了。

圖1.20表示一個(gè)共晶團(tuán)內(nèi)的石墨的立體構(gòu)造14），共晶團(tuán)內(nèi)石墨片反復(fù)多次分支，其間填充著奧氏體。通常在顯微鏡下觀察到石墨組織如圖1.20所示的（平面）圓圈內(nèi)。共晶團(tuán)成為鑄鐵共晶凝固時(shí)的形核及成長(zhǎng)的衡量單位。實(shí)施孕育，促進(jìn)非均質(zhì)晶核生成，使共晶團(tuán)變小，共晶團(tuán)數(shù)量增加。在翰林鑄鐵中，磷偏析在共晶團(tuán)境界上，所以用共晶團(tuán)境界腐蝕液（sdeto腐蝕液）腐蝕后可以觀察共晶團(tuán)，如圖1.21所示。

共晶凝固結(jié)束時(shí)，如圖1.19③所示形成奧氏體和石墨的混合組織，一旦達(dá)到共析轉(zhuǎn)變溫度（圖1.19,d點(diǎn)），奧氏體立即轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w（圖1.19④）。常溫下，如圖1.22所示，成為片狀石墨和珠光體組織構(gòu)成的一般鑄鐵組織。

a 鑄鐵的組織圖

鑄鐵是按照Fe-C狀態(tài)圖的穩(wěn)定系共晶結(jié)晶析出石墨凝固成灰鑄鐵，還是按照介穩(wěn)定系共晶結(jié)晶析出滲碳體凝固成白口鐵，進(jìn)一步在凝固后的共析轉(zhuǎn)變中是按穩(wěn)定系鐵素體化還是按介穩(wěn)定系珠光體化，這取決于鑄件的冷卻速度和碳硅等化學(xué)成分。

Maurer在1400℃（1673K）融化了不同碳硅含量的鑄鐵，在1250℃(1523K)用干型澆鑄了直徑75mm的圓棒，研究其金相組織繪出了Maurer組織圖（圖1.23）。在這里試樣的鑄鐵組織分為五類：白口鐵（Ⅰ）、麻口鐵（Ⅱa）、珠光體灰鑄鐵（Ⅱ）、鐵素體和珠光體混合的灰鑄鐵（Ⅱb）、以及全部鐵素體的灰鑄鐵（Ⅲ）。

區(qū)域Ⅰ表示因碳硅含量少，按照介穩(wěn)定系凝固的白口鐵的成分范圍。區(qū)域Ⅱa表示最初按照穩(wěn)定系凝固，然后按照介穩(wěn)定系凝固的麻口鐵的成分范圍。區(qū)域Ⅱ表示按照穩(wěn)定系凝固，隨后在共析轉(zhuǎn)變時(shí)按照介穩(wěn)定系生成珠光體組織的灰鑄鐵成分范圍。區(qū)域Ⅱb表示共析轉(zhuǎn)變最初是按照穩(wěn)定系進(jìn)行，在石磨周圍析出了鐵素體，所后又按照介穩(wěn)定系進(jìn)行析出了珠光體，形成了鐵素體和珠光體共存的混合組織灰鑄鐵的成分范圍。區(qū)域Ⅲ是共晶轉(zhuǎn)變和共析轉(zhuǎn)變都是按照穩(wěn)定系進(jìn)行，基體組織全部是鐵素體的灰鑄鐵成分范圍。用AB,AB’,AD’,AC線劃分出這幾個(gè)區(qū)域。

這個(gè)組織圖是在一定的鑄型條件下制作的，采用變化試樣直徑的砂型，冷卻速度變化，分界線也會(huì)變動(dòng)，加速冷卻，分界線向右移動(dòng)，放緩冷卻，分界線向左移動(dòng)。圖1.23中的AB”線是澆鑄直徑10mm試樣時(shí)不生成白口鐵的成分界線。AD”線是澆鑄直徑90mm試樣時(shí)基體中不生成鐵素體的成分界線。因此畫有陰影線的區(qū)域就是澆鑄10～90mm試樣時(shí)獲得全部珠光體，機(jī)械性能良好的灰鑄鐵的成分范圍。。各種組織境界線收斂于A點(diǎn)。

1.4.2 球墨鑄鐵的凝固

圖1.24表示在Fe-C系平衡狀態(tài)圖上亞共晶成分球墨鑄鐵的凝固過程。鑄鐵液冷卻到液相線（b點(diǎn)）析出初晶奧氏體，以后如圖中的模式圖①所示，成長(zhǎng)為樹枝狀晶。冷卻到共晶溫度（C點(diǎn)）時(shí)，在初晶奧氏體近旁結(jié)晶出球狀石墨。如②所示，奧氏體直接包圍石墨。其后，碳通過奧氏體殼擴(kuò)散使球狀石墨成長(zhǎng)。石墨析出和奧氏體包圍的共晶凝固過程在共晶溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。這個(gè)被奧氏體殼包圍的石墨相當(dāng)于一個(gè)共晶團(tuán)。

灰鑄鐵的情況下，共晶團(tuán)中的石墨前端與鑄鐵液接觸，鐵液中碳通過液體擴(kuò)散，使石墨成長(zhǎng)。而在球墨鑄鐵中，碳通過包圍石墨球的奧氏體殼進(jìn)行固體擴(kuò)散，使石墨的生長(zhǎng)。與前者相比，后者的擴(kuò)散速度非常慢，球墨鑄鐵的鐵液很容易過冷。球墨鑄鐵比灰鑄鐵更容易白口化，是由于兩種鑄鐵凝固過程中的共晶團(tuán)成長(zhǎng)過程不同所致。

在共晶結(jié)晶后期，共晶團(tuán)相互接觸，鐵液消失，共晶凝固結(jié)束了，如③所示，成為奧氏體和石墨的組織。冷卻到共析轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，基體組織的生成過程如前所述，珠光體在石墨間隙的奧氏體中析出，鐵素體在石墨上直接析出。鐵素體和珠光體共存的情況下，首先在石墨的周圍析出鐵素體，其次從鐵素體和奧氏體的境界處析出珠光體成為④所示的鐵素體和珠光體的混合組織（牛眼組織，圖1.14）。這好像公牛的眼睛，被稱為牛眼組織。