材料的结构组织与性能5

《材料的结构组织与性能5》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料的结构组织与性能5（40页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、材料的结构组织与性能材料的结构组织与性能（五）（五）（五）（五）材料学院材料学院 1铸 铁2铸铁钢的基体石墨与钢相比成分中含有较多的Si、P、S等3铸铁的特点铸铁的特点铸铁（铸铁（castiron）是含碳量大于）是含碳量大于2.11的铁碳合金。的铁碳合金。在工业生产中，在工业生产中，因冶炼、原材料等因素，铸铁成分中一般还含有硅、锰、磷、硫等元因冶炼、原材料等因素，铸铁成分中一般还含有硅、锰、磷、硫等元素，所以实际应用的铸铁是以铁、碳、硅为主的多元铁基合金。素，所以实际应用的铸铁是以铁、碳、硅为主的多元铁基合金。铸铁铸铁与钢在化学成分上的主要区别是前者的碳、硅以及杂质元素磷、硫含与钢在化学成分上

2、的主要区别是前者的碳、硅以及杂质元素磷、硫含量较高。量较高。铸铁的生产成本较低、并且有如下许多优良的性能铸铁的生产成本较低、并且有如下许多优良的性能:优良的减振性，优良的减振性，较高的耐磨性、较高的耐磨性、极好的铸造工艺性和切削加工性。极好的铸造工艺性和切削加工性。所所以以，铸铸铁铁是是工工业业生生产产中中广广泛泛应应用用的的工工程程材材料料。按按质质量量比比统统计计，汽汽车车、拖拖拉拉机机中中，铸铸铁铁用用量量占占5070，在在机机床床中中占占6090，近近几几十十年年来来，由由于于铸铸铁铁成成分分、石石墨墨形形态态、铸铸造造工工艺艺的的变变化化与与发发展展，铸铸铁铁性性能能有有了了很很大大

3、的的提提高高。尤尤其其是是球球墨墨铸铸铁铁已已代代替替部部分分铸铸钢钢或或合合金金钢钢，用用来来制制造造曲曲轴轴、连连杆杆、凸凸轮轮轴轴、阀阀门门等等重重要要零零件件，广广泛泛应应用用于于内内燃燃机机、汽汽车车拖拉机、机床等工业领域，是一种质优、价廉、易得的优良铸造材料。拖拉机、机床等工业领域，是一种质优、价廉、易得的优良铸造材料。4铸铁的性能铸铁的性能化学成分化学成分碳的存在形式碳的存在形式基体类型基体类型石墨的形态、数量、大小及空间分布石墨的形态、数量、大小及空间分布石墨石墨渗碳体渗碳体渗渗碳碳体体具具有有复复杂杂的的晶晶体体结结构构，而而石石墨墨的的强强度度、硬硬度度、塑塑性性都都很很低

4、低，在在铸铸铁铁中中可可视视为为空空洞洞，与与渗渗碳碳体体的的性性能能相相去去甚甚远远。因因此此，碳碳在在铸铸铁铁中中是是以以化化合合态态的的Fe3C形形式式存存在在还还是是以以游游离离态态的的G形形式式存存在在以以及及二二者者的的相相对对比比例例大大小小，对对铸铸铁铁的的性性能能都都会会产生重大影响。产生重大影响。5铸铁的石墨化铸铁的石墨化铸铸铁铁的的石石墨墨化化（graphitization）是是指指铸铸铁铁中中石石墨的形成过程墨的形成过程。通通常常将将铸铸铁铁由由高高温温液液态态凝凝固固冷冷却却到到室室温温过过程程中中石石墨墨的的结结晶析出分为三个阶段：晶析出分为三个阶段：第第一一阶阶段

5、段石石墨墨化化：过过共共晶晶成成分分的的铁铁水水从从液液相相中中结结晶晶出出一一次次石石墨墨；共共晶晶和和亚亚共共晶晶成成分分的的铁铁水水在在1154共共晶晶反反应应时时形形成成共共晶晶石墨，石墨，叫第一阶段石墨化。叫第一阶段石墨化。第第二二阶阶段段石石墨墨化化：在在1154738的的温温度度范范围围内内，奥奥氏氏体体中中由由于于碳碳的的溶溶解解度度的的降降低低，而而沿沿固固溶溶线线析析出出二二次次石石墨墨的的过过程程叫叫第二阶段石墨化。第二阶段石墨化。第第三三阶阶段段石石墨墨化化：奥奥氏氏体体在在738发发生生共共析析转转变变形形成成共共析析石石墨墨的过程叫第三阶段石墨化。的过程叫第三阶段石

6、墨化。6影响石墨化的主要因素影响石墨化的主要因素1.工艺条件工艺条件：在工艺条件中以冷却速度：在工艺条件中以冷却速度的影响最为强烈。的影响最为强烈。冷速越慢越易获得冷速越慢越易获得石墨。石墨。2.化学成分化学成分：促进石墨化的元素有：促进石墨化的元素有C、Si、Al、Cu、Ni、Co等，阻止石墨化的元等，阻止石墨化的元素有素有Cr、W、Mo、V、Mn、S等等7C+Si7.06.06.55.54.04.55.0010203040506070154321PFe3C；2 PFe3CG；3PG；4P+F+G；5F+G碳、硅含量和冷却速度对铸铁组织的影响碳、硅含量和冷却速度对铸铁组织的影响8灰铸铁灰铸铁

7、灰灰铸铸铁铁（graycast-iron）是是一一种种断断面面呈呈深深灰灰色色，石石墨墨形形状状为为片片状状，应应用用最最为为广广泛泛的的铸铸铁铁（见见图图）。灰灰铸铸铁铁的的片片状状石石墨墨对对基基体体有有很很大大的的割割裂裂作作用用，石石墨墨尖尖端端易易形形成成应应力集中，在所有铸铁中，是石墨形状最差的一种。力集中，在所有铸铁中，是石墨形状最差的一种。9灰铸铁的特性：灰铸铁的特性：1.优优良良的的铸铸造造性性能能灰灰铸铸铁铁的的熔熔点点较较低低，容容易易熔熔炼炼，流流动动性性好好，可可浇浇铸铸成成形形状状复复杂杂的的铸铸件件。石石墨墨的的比比体体积积较较大大，石石墨墨的的析析出出可可部部分

8、分抵抵消消铸铸件件凝凝固固及及冷冷却却过过程中的收缩，所以灰铸铁的收缩率较小，设置的浇冒口也可以较小。程中的收缩，所以灰铸铁的收缩率较小，设置的浇冒口也可以较小。2.优优良良的的耐耐磨磨性性、消消振振性性和和切切削削加加工工性性灰灰铸铸铁铁中中的的片片状状石石墨墨很很容容易易在在摩摩擦擦力力的的作作用用下下剥剥落落下下来来。而而石石墨墨本本身身是是一一种种性性能能良良好好的的固固态态润润滑滑剂剂，同同时时石石墨墨剥剥落落后后的的孔孔隙隙能能吸吸附附和和存存储储润润滑滑油油，使使摩摩擦擦界界面面保保持持良良好好的的润润滑滑状状态态；由由于于石石墨墨的的润润滑滑作作用用及及断断屑屑作作用用、故故灰

9、灰铸铸铁铁具具有有良良好好的的切切削削加加工工性性能能；石石墨墨能能吸吸收收机机械械振动能，阻止振动的传播，其消振性比钢好得多。振动能，阻止振动的传播，其消振性比钢好得多。3.力力学学性性能能特特点点片片状状石石墨墨的的存存在在破破坏坏了了基基体体的的连连续续性性，可可以以看看成成钢钢的的基基体体上上的的裂裂纹纹或或孔孔洞洞。石石墨墨片片的的端端部部相相当当于于裂裂纹纹的的尖尖端端，在在拉拉应应力力的的作作用用下下容容易易形形成成应应力力集集中中，致致使使其其抗抗拉拉强强度度和和塑塑性性都都很很低低。所所以以灰灰铸铸铁铁不不能能用用来来制制造造在在拉拉应应力力状状态态下下服服役役的的零零件件。

10、在在压压应应力力作作用用下下，石石墨墨不不会会形形成成大大的的应应力力集集中中，灰灰铸铸铁铁的的抗抗压压强强度度并并不不比比钢钢低低。所所以以特特别别适适合合制制作作在在压压应应力力状状态态下下服服役役的的零零件件，如如机机床床的的床床身身、底底座座、立立柱柱、箱箱体体等等。应应当当指指出出，灰灰铸铸铁铁的的冲冲击击韧韧度度很很低低，是是一一种种典型的脆性材料，所以不适合制造在冲击载荷作用下服役的零件。典型的脆性材料，所以不适合制造在冲击载荷作用下服役的零件。4.物物理理化化学学性性能能与与钢钢相相比比，灰灰铸铸铁铁有有较较好好的的耐耐蚀蚀性性及及抗抗氧氧化化性性。这这与与灰灰铸铸铁成分中含有

11、较高的硅有关，铁成分中含有较高的硅有关，10球状石墨铸铁球状石墨铸铁球球状状石石墨墨铸铸铁铁(spheroidalgraphiteiron)是是指指石石墨墨形形状状为为球球形形的的铸铸铁铁（见见图图）。球球状状石石墨墨对对基基体体的的割割裂裂和和应应力力集集中中作作用用都都降降到到了了最最小小程程度度，从从而而使使基基体体组组织织的的强强度度、塑塑性性和和韧韧性性的的潜潜力力得得以以发发挥挥。通通过过热热处处理理可可获获得得各各种种基基体体组组织织，使使球球墨墨铸铸铁铁在在力力学学性性能能方方面面有有较较大大的的调调整整幅幅度度。正正火火状状态态时时，基基体体为为珠珠光光体体加加铁铁素素体体，

12、其其强强度度大大大大超超过过灰灰铸铸铁铁，接接近近含含碳碳量量为为0.45%的的碳碳素素结结构构钢钢正正火火状状态态的的强强度度指指标标，同同时时保保持持了了相相当当好好的的塑塑性性和和韧韧性性。等等温温淬淬火火后后，基基体体组组织织为为贝贝氏氏体体，虽虽塑塑性性、韧韧性性有有所所降降低低，但但强强度度可可比比正正火火状状态态提提高高约约70。球球墨墨铸铸铁铁不不仅仅强强度度接接近近钢钢的的水水平平，而而且且屈屈强强比比比比钢钢高高得得多多。与与此此同同时时，球球墨墨铸铸铁铁保保持持了了灰灰铸铸铁铁的的某某些些优优良良特特性性，如如良良好好的的流流动动性性，易易于于铸铸造造成成形形，生生产产方

13、方法法和和设设备备简简单单，成成本本较较低低，切切削削加加工工性性能能优优良良等等，所所以以球球墨墨铸铸铁铁是是一一种种以以铁铁代代钢钢、以以铸铸代代锻锻的的材材料料。目目前前，球球墨墨铸铁大量用来制造曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、蜗轮、轧辊等。铸铁大量用来制造曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、蜗轮、轧辊等。11牛牛眼眼状状球球墨墨铸铸铁铁12中锰耐磨球墨铸铁（奥氏体条块状碳化物球状石墨）中锰耐磨球墨铸铁（奥氏体条块状碳化物球状石墨）13铁素体珠光体延性铸铁（球墨铸铁铁素体珠光体延性铸铁（球墨铸铁14珠光体球墨铸铁珠光体球墨铸铁15铁素体球墨铸铁铁素体球墨铸铁16球墨铸铁的特点球墨铸铁的特点:1、化化学学

14、成成分分的的特特点点之之一一是是碳碳硅硅含含量量高高，这这样样可可使使其其成成分分接接近近共共晶晶点点，从从而而提提高高铁铁水水的的流流动动性性。镁镁是是主主要要的的球球化化元元素素，同同时时也也是是强强烈烈的的反反石石墨墨化化元元素素；较较高高的的硅硅含含量量可可有效抑制镁引起的白口倾向；有效抑制镁引起的白口倾向；球墨铸铁化学成分的第二个特点是球墨铸铁化学成分的第二个特点是低磷、低硫低磷、低硫；2、石石墨墨的的球球化化使使得得改改善善基基体体组组织织有有了了意意义义，因因此此球球墨墨铸铸铁铁往往往往要要进进行行热热处处理理。球球墨墨铸铸铁铁常常用用的的热热处处理理有有退退火火、正火、调质、等

15、温淬火等；正火、调质、等温淬火等；3、具具有有较较高高的的强强韧韧性性，是是当当前前“以以铸铸代代煅煅”的的重重要要材料；材料；17图图9.5各类球墨铸铁铸件各类球墨铸铁铸件18可锻铸铁可锻铸铁将将白白口口铸铸铁铁经经石石墨墨化化退退火火处处理理，使使其其渗渗碳碳体体分分解解为为团团絮絮状状石石墨墨所所得得到到的的铸铸铁铁叫叫可可锻锻铸铸铁铁（ductilecastiron）,可可锻锻铸铸铁铁的的石石墨墨形形态态见见图图。由由于于石石墨墨呈呈团团絮絮状状，与与灰灰铸铸铁铁的的片片状状石石墨墨相相比比，大大大大减减小小了了对对基基体体的的割割裂裂作作用用。其其强强度度、塑塑性性、韧韧性性都都高高

16、于于灰灰铸铸铁铁。虽虽然然球球状状石石墨墨铸铸铁铁的的性性能能优优良良，在在许许多多应应用用领领域域取取代代了了可可锻锻铸铸铁铁，但但可可锻锻铸铸铁铁的的铁铁水水处处理理简简单单、质质量量稳稳定定，尤尤其其是是白白口口铸铸铁铁具具有有优优良良的的铸铸造造性性能能，特特别别适适合合铸铸造造薄薄壁壁件件，所所以以可可锻锻铸铸铁铁被被大大量量用用以以生生产产形形状状复复杂杂的的管管件件，如如管管接接头头、弯弯头头、水水龙龙头头等等。石石墨墨化化退退火火工工艺艺改改进进后后，生生产产周周期期大大大大缩缩短短，生生产产成本随之降低，所以可锻铸铁是一种重要的铸铁品种。成本随之降低，所以可锻铸铁是一种重要的

17、铸铁品种。19铁铁 素素 体体 可可 锻锻 鑄鑄 鐵鐵 石石 墨墨 形形 態团絮状態团絮状G G20图图9.7可锻铸铁铸件可锻铸铁铸件21蠕蠕墨墨铸铸铁铁石石墨墨呈呈蠕蠕虫虫状状的的铸铸铁铁叫叫蠕蠕墨墨铸铸铁铁（vermicularcastiron）。蠕蠕虫虫状状石石墨墨的的形形态态介介于于球球状状与与片片状状之之间间，在在光光学学显显微微镜镜下下呈呈短短杆杆状状（见见图图），与与灰灰铸铸铁铁的的片片状状石石墨墨相相近近，但但长长、厚厚方方向向尺尺寸寸比比较较小小，端端部部较较钝钝、较较圆圆,局局部部又又接接近近球球状状。蠕蠕墨墨铸铸铁铁是是近近三三十十年年发发展展起起来来的的一一种种新新型型

18、铸铸铁铁，在在高高温温铁铁水水中中加加入入蠕蠕化化剂剂即即可可制制得得蠕蠕墨墨铸铸铁铁。常常用用的的蠕蠕化化剂剂有有镁镁钛钛合合金金、稀稀土土镁钛合金等。镁钛合金等。蠕蠕墨墨铸铸铁铁的的性性能能特特点点是是：强强度度及及塑塑性性高高于于灰灰铸铸铁铁但但低低于于球球墨墨铸铸铁铁，有有较高的耐磨性和一定的韧性，铸造性能与灰铸铁一样良好。较高的耐磨性和一定的韧性，铸造性能与灰铸铁一样良好。在在生生产产中中，只只要要将将球球化化剂剂的的加加入入量量减减少少就就能能得得到到蠕蠕墨墨铸铸铁铁，但但其其控控制制比完全球化还难，为此还要加入球化阻碍元素，如比完全球化还难，为此还要加入球化阻碍元素，如Ti等。等

19、。蠕墨铸铁可用于制造曲轴箱、齿轮箱、链轮、偏心齿轮、钢锭模、汽蠕墨铸铁可用于制造曲轴箱、齿轮箱、链轮、偏心齿轮、钢锭模、汽缸头、飞轮等，由于蠕墨铸铁具有较高的热导率，所以可以制造承受热缸头、飞轮等，由于蠕墨铸铁具有较高的热导率，所以可以制造承受热疲劳的零件。疲劳的零件。22蠕虫状石墨蠕虫状石墨23蠕虫状石墨三维图象蠕虫状石墨三维图象24图图9.10蠕墨铸铁件蠕墨铸铁件25石墨形态与性能的关系石墨形态与性能的关系塑性、强度、韧性塑性、强度、韧性26钢中的非金属夹杂物钢中的非金属夹杂物27在钢中的金相显微镜组织除了固溶体相和金属化在钢中的金相显微镜组织除了固溶体相和金属化合物外，还有如下图所示的形

20、态合物外，还有如下图所示的形态2829非非金金属属夹夹杂杂物物通通常常指指不不具具有有金金属属性性质质的的氧氧化化物物、硫硫化化物和一些高熔点氮化物以及硒化物、碲化物、磷化物物和一些高熔点氮化物以及硒化物、碲化物、磷化物 钢中的非金属夹杂物的来源：钢中的非金属夹杂物的来源：(1)脱脱氧氧、脱脱硫硫产产物物。特特别别是是一一些些比比重重大大的的产产物物没没有有及及时排除时排除(2)随随着着钢钢液液温温度度降降低低，硫硫、氧氧、氮氮等等杂杂质质元元素素的的溶溶解解度度相相应应下下降降，于于是是这这些些不不溶溶解解的的杂杂质质元元素素就就以以非非金金属属化化合合物在钢中沉淀物在钢中沉淀(3)带入钢液

21、中的炉渣，熔渣或耐火材料带入钢液中的炉渣，熔渣或耐火材料(4)钢液被大气氧化所形成的氧化物钢液被大气氧化所形成的氧化物通通常常将将前前两两类类夹夹杂杂物物称称为为内内生生夹夹杂杂物物，后后两两类类夹夹杂杂物物称称为外来夹杂物为外来夹杂物30非金属夹杂物对钢性能的影响非金属夹杂物对钢性能的影响31非金属夹杂物对钢拉伸性能的影响非金属夹杂物对钢拉伸性能的影响32非金属夹杂物对钢韧性的影响非金属夹杂物对钢韧性的影响非金属夹杂物对钢的韧性有明显的影响，其非金属夹杂物对钢的韧性有明显的影响，其原因为：原因为：1、使钢的塑性明显下降；、使钢的塑性明显下降；2、夹杂物与钢的基体易于分离，形成微裂纹，、夹杂物

22、与钢的基体易于分离，形成微裂纹，使钢发生早期断裂使钢发生早期断裂33硫硫化化锰锰夹夹杂杂与与基基体体脱脱离离并并断断裂裂的的例例子子34对韧性断裂过程的观察结果表明，韧性断裂是裂纹产生、扩展和连接的过对韧性断裂过程的观察结果表明，韧性断裂是裂纹产生、扩展和连接的过程，由此可推测在韧性断裂过程中，裂纹彼此连接的路径是参与断裂的每一个程，由此可推测在韧性断裂过程中，裂纹彼此连接的路径是参与断裂的每一个夹杂物均产生一个微裂纹，相邻裂纹的连接是靠裂纹之间金属基体滑移和缩颈来夹杂物均产生一个微裂纹，相邻裂纹的连接是靠裂纹之间金属基体滑移和缩颈来完成的。利用扫描电镜对断口进行观察表明：金属的韧性断口是由大

23、量韧窝组成，完成的。利用扫描电镜对断口进行观察表明：金属的韧性断口是由大量韧窝组成，夹杂物与韧窝几乎是一一对应的，说明一个夹杂物就是一个韧窝的形核位置。夹杂物与韧窝几乎是一一对应的，说明一个夹杂物就是一个韧窝的形核位置。35韧韧窝窝形形成成过过程程36韧韧窝窝3760Si2Mn弹簧钢疲劳裂纹源于非金属夹杂物弹簧钢疲劳裂纹源于非金属夹杂物38区域提纯区域提纯电子工业中用的半导体材料锗的纯度须达到999999999以上，若用一般的化学方法，不可能达到如此高的纯度。但是根据相图的知识根据相图的知识知道知道:金属中混入了杂质，其熔点一般比纯金属为低。而且当金属中混入了杂质，其熔点一般比纯金属为低。而且

24、当该金属熔融后再固化时，先结晶出的是高熔点的纯金属该金属熔融后再固化时，先结晶出的是高熔点的纯金属。根据这一原理，将欲提纯的一段金属材科放置在管式炉中，在管外装置一个可以左右移动的加热环，将要提纯的金属材料先在管式炉的左端加热，使其区域熔融。然后再加热环以极慢的速度从左端向右移动，这时金属材料的区域熔融区的左端成为固化区，而右端成为液相区。在左端固化区中先结晶的必定是熔点较高的金属。由于熔融区左端的纯度较右端为高。当加热环向右端移动时，便把材料中的杂质从左“扫”向右端如果加热环一次又一次地从左向右移动，则材料中的杂质一次又一次地向右推移，最后金属材料的左端可得到纯度较高的材料。这种方法称为区域熔融法(或称区域熔炼法)。3940