2 铁—碳相图及其应用 正是因为铸铁的组织与铸铁的力学性能, 铸造性能和运用性能，甚至切削加工性能等休戚相关，我们就必需要驾驭铸铁组织的形成规律，以到达限制组织和性能的目的铁—碳平衡图就是驾驭凝固过程及其形成组织极好工具，从中可以了解铸铁的凝固规律，限制所获得凝固组织的种类, 形态和多少 另外，生产中有多种因素会影响铸铁组织的形成，从铁—碳平衡图上也可一目了然地分析出这些因素对组织的影响状况，从而可通过限制形成的组织类型和数量来限制铸件的性能 所以，铸造技术人员必需具备娴熟应用铁—碳平衡图的实力，这样才能在生产实践中对铸件产生的各类问题进展有理论依据的分析和找出有针对性的解决方法 2.1 铸铁的分类 铸铁是一种以, C, 为根底的多元合金，其中碳含量〔质量分数〕为2.04.0%铸铁成分中除 C, 外，还有, P, S，号称五大元素 在铸铁中参加, , , 等合金元素，可满足耐热, 抗磨, 耐腐蚀等性能要求，所形成的合金铸铁又称为特种铸铁 按运用性能，铸铁可被分为工程构造件铸铁与特种性能铸铁两大类〔见表14〕 表 14 铸铁的分类 类别 组织 断口 工程构造件铸铁 灰铸铁 基体+片状石墨 灰口 球墨铸铁 基体+球状石墨 灰口 蠕墨铸铁 基体+蠕虫状石墨〔+少量球状石墨〕 灰口 可锻铸铁 基体+团絮状石墨 生坯：白口 退火后：灰口 特种性能铸铁 抗磨铸铁 基体+渗碳体 白口 冷硬铸铁 表层：基体+渗碳体 内层：基体+石墨 表层：白口 内层：灰口 耐热铸铁 基体+片状或球状石墨 灰口 耐腐蚀铸铁 基体+片状或球状石墨 灰口 2.2 铁—碳双重相图 2.2.1 铁—碳双重相图的根本概念 表示合金状态与温度, 成分之间关系的图形称为合金相图，是探讨合金结晶过程中组织形成与变更规律的工具。
在极缓慢冷却条件下，不同成分的铁— 碳合金在不同温度时形成各类组织的图形为铁—碳合金相图 铸铁中的碳能以石墨或渗碳体两种独立相存在，因此铁—碳相图存在两重性，即铁—石墨〔C〕相图与铁—渗碳体〔3C〕相图在确定条件下，—3C系相图可以向—C 系相图转化，所以—C 为稳定系平衡相图，—3C 为亚稳定系相图〔见图 16〕 铸铁中的高碳相只有两种：石墨与渗碳体，石墨〔G〕为 100%的碳，渗碳体〔3C〕含碳量仅为 6.67%在生产中常用的三角试块的尖端处为白口，此处碳以 3C 出现；三角试块厚的部位为灰口，此处碳以 G 形式出现这说明，同一成分的铸铁既可按—3C 相图结晶，也可按 —C 相图结晶，因此，探讨铸铁时，必需探讨铁—碳合金的双重相图 2.2.2 铁—碳相图与铸铁的结晶 铸铁在凝固过程中要经过三个结晶阶段，即析出初相, 共晶转变, 共析转变，在这三个阶段中分别析出不同的组织，见表 15 表 15 铸铁结晶的三个阶段 结晶 过程 结晶发生的临界限 结晶产物 图标 初析 阶段 液相线以下析出初生相 〔1〕及’线以下析出初生奥氏体 〔2〕C’D’线以下析出初生石墨 〔3〕线以下析出初生渗碳体 共晶 阶段 固相线以下发生共晶转变 〔1〕线以下发生共晶转变，共晶组织为共晶奥氏体+共晶渗碳体 〔2〕E’C’F’线以下发生共晶转变，共晶组织为共晶奥氏体+共晶石墨 图 16 —C〔石墨〕, —3C 双重相 共析 阶段 共析线以下发生共析转变 〔1〕线以下发生共析转变，奥氏体转变为珠光体〔渗碳体+铁素体〕 〔2〕P’S’K’线以下发生共析转变，奥氏体转变为铁素体+石墨 在三个阶段的结晶中要记住两个临界点：共晶点与共析点。
共晶点的意义是：当铁液温度到达共晶温度, 铁液成分到达共晶成分时，铁液就会发生共晶转变 〔石墨〕系中，共晶点 C’的成分是 w〔C〕 4.26%；3C 系中，共晶点 C 的成分是 w〔C〕 4.30% 共析点的意义是：当铸铁凝固冷却到共析温度, 成分到达共析点成分时，将发生共析转变 〔石墨〕系中，共析点 S’的成分为 w〔C〕 0.69%；3C 系中，共析点 S 的成分为 w〔C〕 0.76% 在铁—碳相图中： 具有共晶成分的铸铁，称共晶铸铁； 小于共晶成分的铸铁，称亚共晶铸铁； 大于共晶成分的铸铁，称过共晶铸铁 在铸铁的凝固过程中，要记住四条特性曲线，即液相线, 固相线〔共晶转变线〕, 碳在奥氏体中的溶解曲线和共析线 在双重相图, 两个临界点, 四条特性曲线下，三个阶段结晶中所形成的铸铁组织不同，记住在不同条件下形成的各类组织是特殊重要的表 16 为结晶过程中的两个临界点与四条特性曲线 表 16 铸铁结晶过程中的两个临界点和 4 条特性曲线 名称 曲线或 临界点 特性 图标 液相线 和 ’D’线 〔1〕该线称为液相线，此线以上为液相区，用 L表示 〔2〕铁液冷却至此线时，开场结晶并析出初相 〔3〕或’线以下皆析出初生奥氏体，用 A或 γ表示 〔4〕以下析出初生渗碳体，用 3C表示 〔5〕在 C’D’线以下析出初生石墨，用 G表示 固相线 〔共晶线〕 与 E’C’F’线 〔1〕该线称为固相线，合金冷却至此线后凝为固体，此线以下为固态区 〔2〕液相线与固相线之间，液相与固相并存，为合金的结晶区，或’E’区内为铁液+初生奥氏体，在区内为铁液+初生渗碳体，在 D’C’F’区内为铁液+初生石墨 〔3〕该线也称为共晶转变线，铁液冷却至此线以下时发生共晶转变，铁液转变为共晶奥氏体+共晶渗碳体〔按线〕或转变为共晶奥氏体+共晶石墨〔按 E’C’F’线〕 〔4〕共晶奥氏体+共晶渗碳体可称为高温莱氏体，用公式表示为 3C 共晶点 C〔C’〕 共晶临界点，其碳的质量分数是：C点为 4.30%，C’点为4.26%，生产中常简化为4.30% 碳在奥氏体中的溶解曲线 与 E’S’线 碳在奥氏体中的含量随温度降低而削减，当温度下降时，沿着此线析出二次渗碳体〔按线〕或析出二次石墨〔按 E’S’线〕 共析线 与P’S’K’线 〔1〕合金冷却至此线时发生共析转变，按线奥氏体转变为珠光体〔铁素体+渗碳体〕 ，用 P来表示，按 P’S’K’线奥氏体转变为铁素体＋石墨，铁素体用 α或 F表示 〔2〕共析转变按 3C进展，高温莱氏体〔奥氏体+渗碳体〕那么变为低温莱氏体〔珠光体+渗碳体〕 ，低温莱 氏体的表示公式为 L’3C 共析点 S〔S’〕 共析临界点，其碳的质量分数是：S点为 0.76%，S’点为0.69% 2.2.3 铁—碳相图与铸铁组织 表 17 为铸铁在初析, 共晶, 共析三个阶段中结晶时形成的组织，表 18为铸铁的结晶过程与室温组织，表 19 为铁—碳双重相图中的铸铁组织。
在实际生产中，铸铁的组织远不止表 19 中的 7 个组成相，还会多出 6 个组成相，它们对铸铁性能的影响也特殊巨大，必需牢牢记住表 20 即为铁—碳相图中不出现的铸铁的 6 个组成相 表 17 铸铁在初析, 共晶, 共析结晶时形成的组织 结晶 过程 亚共晶铸铁 共晶铸铁 过共晶铸铁 3C 3C 3C 初析 阶段 初生奥氏体 初生奥氏体 － － 初生石墨 初生渗碳体 共晶 阶段 共晶奥氏体+共晶石墨 共晶奥氏体+共晶渗碳体 共晶奥氏体+共晶石墨 共晶奥氏体+共晶渗碳体 共晶奥氏体+共晶石墨 共晶奥氏体+共晶渗碳体 共析 阶段 共析铁素体+共析石墨 珠光体 共析铁素体+共析石墨 珠光体 共析铁素体+共析石墨 珠光体 表 18 铸铁的结晶过程与室温组织 类别 按〔石墨〕稳定系结晶 按 3C亚稳定系结晶 亚共晶铸铁 结晶 过程 室温 组织 铁素体+石墨〔共晶石墨+二次石墨+共析石墨〕 珠光体+莱氏体〔珠光体+共晶渗碳体〕+二次渗碳体 过共 晶铸 铁 结晶 过程 室温 组织 铁素体+石墨〔初生石墨+共晶石墨+二次石墨+共析石墨〕 莱氏体〔珠光体+共晶渗碳体〕+渗碳体〔初生渗碳体+二次渗碳体〕 共晶 铸铁 结晶过程 室温组织 铁素体+石墨〔共晶石墨+二次石墨+共析石墨〕 莱氏体〔珠光体+共晶渗碳体〕+二次渗碳体 表 19 〔石墨〕, 3C 双重相图中的铸铁组织 类别 组织 代号 特征 主要性能 液 相 液 溶 体 L 1.存在液相线之上的铁液为液相，是碳与其他元素在铁中的无限液溶体。
2.在液, 固线之间也有液体，但成分随温度而变更 1.优良的流淌性； 2.流淌性的上下与温度, 成分有关 高 碳 相 石 墨 G 1.石墨是铸铁中以游离状态存在的碳，含碳量近乎 100％ 2.按化学成分与温度不同，石墨有初析石墨, 共晶石墨, 二次石墨和共析石墨 3.石墨的形态有片状, 球状, 蠕虫状, 团絮状 1.力学性能低：<20 ，硬度3 ，无塑性； 2.减振好，耐磨性优良 渗 碳 体 3C 1.铁和碳的化合物，碳的质量分数为 6.69％ 2.按化学成分与温度不同，有初生渗碳体, 共晶渗碳体, 二次渗碳体及共析渗碳体 3.渗碳体是不稳定的化合物，在确定的温度条件下可转变成铁素体+石墨，更高温度时又可变为奥氏体+石墨 1.性能硬, 脆：硬度 800～1 000 ，塑性与韧性近为零； 2.强度低：为 20～50 基 体 莱 氏 体 1.按 3C系共品转变的共晶组织，为渗碳体与奥氏体的共晶体，称为高温莱氏体 2.冷却至共析温度以下，按3C转变，奥氏体转变为珠光体，形成珠光体+渗碳体，称为低温莱氏体 1.具有高的耐磨性； 2.性硬, 脆，冲击韧性低，易脆裂 奥 氏 体 A〔γ〕 1.碳在 γ 中的固溶体，面心立方晶格，1 147℃时最大的溶碳量是 2.14％。
2.为铸铁的高温组织，存在于727～1 147 ℃之间，只有, 含量足够时，才可能出现室温下的奥氏体铸铁 3.等温淬火时也会有约 30％的富碳奥氏体 1.具有良好的塑性与强度，400～800 ，40％～50％ 2. 有 确 定 的 硬 度 160 ～200 珠 光 体 P 1.铁索体与渗碳体组成的机械混合体，碳的质量分数为0.76％ 2.是过冷奥氏体在共析转变时形成的共析组织 3.共析转变时的过冷度不同，可形成片状珠光体, 细片状珠光体(索氏体), 极细片状珠光体(托氏体)，通过热处理可获得粒状珠光体 1.具有较高强度与硬度， =400～800 ，硬度 175～330 2.塑性, 韧性优于渗碳体，A =10％～25％ 铁 素 体 α(F) 1.碳在 α—中的固溶体，体心立方品德 2.727 ℃时最大溶碳量〔质量分数〕为 0.034％ 3.因生成条件不同，其形态有等轴晶粒状, 裂开状, 牛眼状, 网状和针状 1.具有良好的塑性与韧性，A =25％～60％ 2.强度与硬度稍低， =200～400 ，硬度 70～150 表 20 铁, 碳相图中不出现的铸铁中的 6 个组成相 名称 铸铁中存在的原由 特性 奥氏体 热处理时形成的组织 1.加热至奥氏体化区域并保温，后在 250～400 ℃冷却并保温，使过冷奥氏体等温分解形成针状铁素体+高碳奥氏体。
2.该组织存在于等温淬火球墨铸铁中,该铸铁具有高强度，高硬度与韧性 马氏体 热处理时形成的组织 1.加热至奥氏体化区域并保温，后在 250 ℃以下冷却，进展无扩散转变而形成马氏体组织，实质上是过饱和 α固溶体，具有很高的硬度与耐磨性 2.马氏体的塑性, 韧性极低，可通过不同的回火获 得回火马氏体, 回火托氏体, 回火索氏体，从而得到不同性能的铸铁 晶界共晶物 硫共晶 铸铁为多元素的铁碳合金，铸铁中含有 S 1.当铸铁中较低时，S以的形式形成的二元硫共晶〔熔点 985 ℃〕 ，当冷却速度大时，那么形成 3C三元硫共晶〔熔点 975 ℃〕 2.硫共晶在晶界上析出．易产生热裂并影响力学性能 磷共晶 铸铁中含有 P 1以二元或三元磷共晶存在于晶界，能使铸铁韧性降低, 脆性增加，二元磷共晶为 3P〔熔点 1 050 ℃〕 ，三元磷共晶为 33C〔熔点 953 ℃〕 碳化物 铸铁中含有, , V, , 等合金元素 1.碳化物是碳与一种或多种合金元素形成的化合物，如〔， 〕3C, 〔， ， 〕3C等 2.常分布于品界，影响力学性能，但在抗磨铸铁中那么显著提高耐磨性 非金属 夹杂物 在铸铁熔炼时的冶金反响中所形成的化合物 1.非金属夹杂物系指除石墨, 基体, 碳化物, 磷共晶, 硫共晶以外的组成物，按其成分有氧化物, 硫化物, 硅酸盐, 氮化物及由其组成的多元素的复合化合物。
2.多沿晶界分布，降低力学性能, 乏累强度及流淌性 2.3 铁—碳相图对铸铁生产的指导意义 2.3.1 利用相图的双重性限制铸铁的结晶过程 在熔炼孕育铸铁时，必需通过化学成分等措施将原铁液全部或局部按—3C系结晶，形成白口或麻口，然后通过孕育手段，使其按—C〔石墨〕系结晶在共晶转变时变成奥氏体+石墨，不允许出现渗碳体；而可锻铸铁在共晶转变时必需限制铁液按—3C 系结晶，即在共晶转变时，形成莱氏体，变成奥氏体+渗碳体，不允许出现石墨 当须要珠光体基体的铸铁时，可以通过在铁液中加反石墨化元素如, , , 等，使铸铁在共析转变时按—3C 系结晶，形成珠光体基体 假如要获得铁素体基体，那么通过对铸铁中 C, Ｓi 含量的限制，使铸铁在共析转变时按—C〔石墨〕系结晶，形成铁素体基体 2.3.2 通过对三阶段结晶的限制，获得须要的组织与性能 〔1〕在熔制高强度灰铸铁时，必需接受含 C 量较低的亚共晶铸铁，添加某些合金元素增加比及进展孕育处理，是为了： ★在初析阶段析出更多粗大的奥氏体，有利于提高强度； ★使共晶转变时变—3C 系结晶为—C〔石墨〕结晶，不出现渗碳体，以免影响力学性能与加工性能； ★在共析转变时按—3Ｃ系进展，形成珠光体基体。
〔2〕在熔制可锻铸铁时，要选择比高强度灰铸铁更低的 C, 量，确保铁液结晶时全部为白口，不得有麻口和灰点，即铁液在共晶与共析转变时全部按—3C 进展，在初析阶段析出初生奥氏体，在共晶阶段形成奥氏体+渗碳体，在共析阶段奥氏体全部变为珠光体，室温的组织是珠光体+渗碳体假如限制不好，有片状石墨存在，将严峻影响退火时的石墨，可见限制铸铁按铁—碳双重相图中哪一系统结晶特殊重要 值得指出的是，可锻铸铁中也加孕育剂，但是加的是复合孕育剂，即, , 等元素在共晶转变时反石墨化，确保其白口；, B, , , , 等元素在退火时促进石墨化，缩短退火时间 〔3〕熔制球墨铸铁和蠕墨铸铁时，它们的原铁液在共晶转变时都是按—C〔石墨〕系结晶，铸态为灰口，因为它们的碳当量很高，白口倾向微小；但是其原铁液经过球化或蠕化处理以后，那么按—3C 系进展共晶转变，全部为白口，因为, 都是猛烈反石墨化的元素，促使铁液按—3C 系结晶 对球化或蠕化后的铁液再进展孕育处理，那么孕育后的球化铁液或蠕化铁液那么按—C〔石墨〕系结晶，全部变为灰口，因为孕育剂猛烈促进石墨化，促使铁液按—C〔石墨〕系进展结晶 因此，将球化, 蠕化的变质处理及而后的孕育处理与铁—碳双重相图相联系，那么对剩余量为什么要低，对孕育要确保薄壁处不出现游离渗碳体这些问题，就有了更理性的相识；从而对生产中为什么要尽量削减球化剂以减小白口与缩松倾向，尽量接受瞬时孕育消退游离渗碳体等，有了更深刻的相识。
2.3.3 限制碳当量与共晶度，选择所需铸铁的种类 〔1〕碳当量 铸铁中存在多种合金元素，这些合金元素对共晶点碳量的增减是有影响的将各元素的量折算成碳量的增减，增减后的碳量称之为碳当量在生产实践中，碳当量计算时只考虑, P 的影响，计算的方式是将, P 折算成碳量，再加上铸铁的实际碳量，那么为碳当量，用表示，其计算公式为： 式中 C, , P 皆为铸铁中实际 C, , P 的质量分数〔%〕 将碳当量〔〕与铁—碳相图共晶点含碳量〔4.26%〕相比拟，可推断该成分的铸铁偏离共晶点的程度： 4.26%的铸铁，称为共晶铸铁； ＜4.26%的铸铁，称为亚共晶铸铁； ＞4.26%的铸铁，称为过共晶铸铁 〔2〕共晶度 铸铁偏移共晶点的程度也可用铸铁的实际含碳量与共晶点的实际含碳量之比值来表示，这个比值称为共晶度，以表示，其计算公式为： w〔C〕——铸铁中实际的含碳量〔质量分数〕 ， 〔％〕 ； w〔C’〕——铸铁共晶点的实际含碳量〔质量分数〕 ，它已包含了 w〔〕和 w〔P〕的折算； 4.26％——为铸铁共晶点在稳定系时的 w〔C〕量， 〔%〕 ； w〔〕——铸铁中实际的质量分数， 〔％〕 ； w〔P〕——铸铁中实际的 P 质量分数， 〔％〕 。
以共晶度的上下可推断铸铁偏离共晶点的程度，以此将铸铁分类： 1，称共晶铸铁； >1，称过共晶铸铁； <1，称亚共晶铸铁 生产中常依据的上下, 的大小来推断铸铁力学性能的上下, 铸造性能的好坏及石墨化实力的大小，因此，碳当量, 共晶度是特殊重要的参数 2.4 铁—碳相图与铸铁的性能 2.4.1 铁—碳相图与铸铁的力学性能 生产中似乎很难将所熔制的铸铁与铁—碳相图联系起来，假如将各类铸铁按碳当量的上下列在铁—碳相图上，将会给我们什么样的启发呢？ 图 17 列出了 7 种铸铁在相图上的位置，它们分别为可锻铸铁 470-04，灰铸铁 350, 250, 150, 100，球墨铸铁 600-3，蠕墨铸铁 400它们的碳当量〔〕分别为 2.9％, 3.3％, 3.6％, 4.0％, 4.4％, 4.6％和4.7％ 通过 7 种铸铁在相图上的位置，可作出以下分析： 〔1〕灰铸铁 350, 250, 50 与可锻铸铁 470-04 是亚共晶铸铁，00, 球墨铸铁, 蠕墨铸铁是过共晶铸铁 〔2〕亚共晶灰铸铁中，碳当量最低, 离共晶点最远的 350 的强度最高， 250 次之，50 最低，即灰铸铁的碳当量越低，离共晶点越远，强度越高。
由相图分析，缘由有二：一是离共晶点远，碳当量低，说明铸铁中石墨削减，降低了石墨对基体的减弱作用，使铸铁强度增加；二是离共晶点远，液相线与固相线距离变大，析出的奥氏体粗大，数量增多，形成骨架，使铸铁强度增高 〔3〕过共晶铸铁 100 在 7 种铸铁中强度最低由相图看出，该铸铁初析阶段析出粗大的初生石墨，加上较高的碳当量与石墨数量，显著增大了石墨对基体的割裂作用，从而导致强度极大地降低 〔4〕球墨铸铁 600-3 与蠕墨铸铁 400 在相图上虽属过共晶铸铁，但石墨呈球状与蠕虫状，碳当量虽高，但其强度不因碳当量上升而下降，其强度还远高于灰铸铁这说明对铸铁力学性能的影响中，石墨形态是起确定性作用的，只有在片状石墨下，碳当量对力学性能才起主要作用高碳当量的球墨铸铁与蠕墨铸铁之所以有高强度，缘由是因石墨的形态发生了变更，即由片状变为球状或蠕虫状，从而大幅度地降低了石墨对基体的割裂作用，说明石墨形态对强度的作用远大于碳当量，是第一位的 〔5〕可锻铸铁的强度高于灰铸铁，除其碳当量低于灰铸铁外，主要是热处理后石墨形态变为团絮状石墨的缘由，而后者的作用是主要的 从以上分析可看出铁—碳相图好用价值的一个侧面。
2.4.2 铁—碳相图与铸铁的铸造性能 〔1〕铁—碳相图与铸铁的凝固方式 铸铁的凝固方式有层状凝固, 糊状凝固和中间凝固三种，三种凝固方式的铸铁分别为共晶灰铸铁, 球墨铸铁和低碳当量的灰铸铁这三种铸铁在铁—碳相图上的位置如图 18 所示 图 18 三种凝固形式铸铁在铁碳相图上的位置 〔2〕凝固方式对铸件质量的影响 铸铁的凝固与一次结晶都是探讨铸铁从液态到固态的变更状况的，即探讨液态到固态的热交换, 铸件断面上凝固层的变更, 凝固方式和凝固时间等一次结晶是探讨液态到固态的晶体的形核长大, 各结晶组织形成规律等，表21 为三种凝固方式对铸件质量的影响 表 21 铸铁三种凝固方式的特性及对铸铁质量的影响 凝固形式 凝固特性 对铸件质量的影响 共晶 铸铁 〔层状 凝固〕 1.液相线与固相线重合，无凝固区在凝固前沿，固相与液相界面清楚流淌性极好，即使在晶间由于凝固收缩而形成的空间，也易被液态金属充填，铸件致密性好 2.凝固由外表逐层凝固直至中心，故称逐层凝固或层状凝固 3.凝固特征是：在凝固过程中，表层已凝固，中心仍为液态 1.凝固前沿平整，流淌性好，凝固收缩时易得铁液补缩。
2.逐层凝固使铸件很快形成坚硬外壳，中心铁液凝固时的石墨化膨胀，促使铁液对枝晶间, 共晶团晶界间剩余铁液的凝固收缩进展补缩，故缩松, 晶间裂纹及热裂等缺陷很少发生 球墨 铸铁 〔糊状 凝固〕 1.液, 固线间距大，凝固开场线与凝固终了线相距甚远 2.凝固与结晶不是从外表开场，而是在整个截面上几乎同时形核与生长，形成液, 固同时存在的糊状混合物 凝固特点是：内部液体未凝固前，外表不结壳，其形成1.因凝固与结晶在整个截面上几乎同时进展，当形成结晶骨架时，骨架间互不连接的孤立的铁液或共晶团之间的剩余铁液无法补缩，易形成分散性缩孔，即缩松 2.凝固过程中，铸件外部始终是一层软壳，石墨化膨胀时，膨胀力干脆传 坚硬外壳的时间远大于灰铸铁 至铸型，常使型壁外移导致铸件缩松 3.晶间缩松导致的枝晶间裂纹及热裂倾向增大 低碳当量亚共晶铸铁〔中间凝固〕 1.该凝固界于层状凝固与糊状凝固之间 2.碳当量越低，液, 固线距离越大，糊状凝固倾向越大 3.凝固初期为层状凝固，因液, 固线有较大距离，故中心为糊状凝固 1.铸铁碳当量越低，液, 固线间距增大，奥氏体枝晶数量增多, 粗大，使晶间补缩更加困难，缩松及热裂倾向增大。
2.碳当量越低，石墨削减, 石墨化膨胀小，抵消凝固收缩的作用变小，从而使凝固收缩相对增大，铸造应力增加 由表 21 联系到生产中的问题，就能理解共晶成分的铸铁为什么流淌性好，球铁铸件的铸型为什么要椿紧 , 砂箱为什么构造刚性要好，高强度铸件为什么要走高碳当量, 高强度的途径，以及日本用户为什么不同意用无箱造型做球铁件等问题 〔2〕铁—碳相图与铸铁的流淌性 铸铁的流淌性是指铁液充溢铸型的实力，通常用螺旋线长度来表示 流淌性上下取决于两个因素：一是浇注温度；二是铸铁的成分〔即铸铁在铁—碳相图上的位置〕 浇注温度高，流淌性好，其道理不必说明，重要的是第二点，图19, 图 20 表示在两种状况下的铸铁流淌性 由图可知，在同一过热度下： 亚共晶铸铁——离共晶点越远，流淌性越差，缘由是液, 固线距离长，初生奥氏体变粗大，阻碍了铁液的流淌 过共晶铸铁——随着含 C 量的增高，液, 固线距离增大，初生石墨阻碍了铁液的流淌，导致了流淌性的下降 图 19 一样过热度下铸铁含碳量 由图还可知，在一样浇注温度下： 亚共晶铸铁——远离共晶的铁液不仅液, 固线距离加大，且过热减小，故流淌性下降越甚，反之越好。
过共晶铸铁——含 C 量越高，离共晶点越远，不仅液, 固线距离增大，且过热度减小，因此流淌性下降 由上述分析可知，通过不同碳当量的铸铁在铁—碳相图上的位置看铸铁的流淌性，一目了然所以，在选择碳当量对力学性能影响时，必需考虑对铸造性能的影响，尤其是灰铸铁 〔3〕铁—碳相图与铸铁的收缩及应力 铸铁的收缩分液态收缩, 凝固收缩和固态收缩三个阶段〔如图 21 所示〕 液态收缩和凝固收缩，用体收缩表示；固态收缩，用线收缩表示铸铁三个阶段的收缩特性见表 22 表 22 铸铁三个阶段的收缩特性 类 别 收缩 阶段 阶段 范围 影响收缩的因素 对铸件产生的后果 体收缩 液态 收缩 浇注 至液 相线 1.一样碳当量下，浇注温度越高，液态收缩越大，见下表 浇注温度/℃ 1 300 1 400 液相线温度/℃ 1 250 1 250 过热度/℃ 50 1 50 体收缩〔%〕 2.一样浇注温度下，亚共晶铸铁含碳量越高，液态收缩越大对于亚共晶灰铸件，每增加 w〔C〕量 1％，液相线温度下降90 ℃；也即过热度增加 90 ℃，液态收缩随之增加下表为浇注温度为 l 400 ℃时，不同 w〔C〕量铸铁的液态收缩。
w〔C〕(%) 液态收缩〔%〕 1.浇注温度高，液态收缩增大，易产生缩孔 2.浇注温度高，液态收缩大，需补缩的铁液增多，增加铸铁本钱 3.高温出炉，低温浇注是一个总的原那么，在不产生气孔, 夹杂的条件下，降低浇注温度, 削减收缩，可提高铸件成品率 4.浇注温度的确定需考虑铸件碳当量的上下，低碳当量浇温高，高碳当量浇温低 图 21 铸铁收缩三阶段示意图 体收缩 凝固 收缩 液相线至固相线 1.铸铁的凝固收缩是指铸铁由液相凝固至固相的收缩，但铸铁凝固时，因有石墨化而发生膨胀，此膨胀可抵消局部或全部甚至超过全部凝固收缩量凝固时每析出石墨 1％，铸铁体积增加 2％，故随着 w〔C〕量的增加，凝固收缩是减小的 2.白口铸铁无石墨化过程，故凝固收缩大于灰铸铁，但凝固收缩随 w〔C〕量增加而削减的规律是与灰铸铁一样的下表是白口铸铁与灰铸铁的凝固收缩率(％) w〔C〕(%) 白口铸铁 灰铸铁 3.实践证明：铸铁的<3.6％时，只有收缩；大于 3.6％时，才出现膨胀 1.凝固收缩越大，其形成的铸造应力也越大，热裂倾向也越大 2.碳当量足够时，石墨化膨胀能充填晶间铁液收缩时形成的孔洞，这种“自补缩〞是灰铸铁的优点之一。
3.但凡能提高灰铸铁石墨化实力的因素，皆可削减凝固收缩与热裂倾向，在全部削减收缩的因素中，碳当量是最主要的高碳当量, 高强度铸铁是最正确选择 线收缩 固态收缩 固相线至室温 l.固态收缩时的线收缩，随 w〔C〕, w〔〕量削减而增大，反之灰铸铁石墨化程度越大，固态收缩越小下表为壁厚 40 灰铸件的线收缩 w〔〕 〔%〕 线收收缩〔%〕 2.冷却速度慢，共析转变时析出的石墨形成二次石墨膨胀，故铁素体基体铸铁的线收缩小于珠光体基体铸铁 1.铸铁碳当量越低，固态收缩越大， 铸造应力越大 的主要缘由 由铁—碳相图可知：在同样浇注温度下，离共晶点越近，液态收缩越大，易产生缩孔缺陷这就是为什么要降低浇注温度的缘由 铸铁离共晶点越远，凝固收缩越大，易产生缩松缺陷，缘由是液, 固线距离大，补缩困难，石墨数量少，石墨化膨胀小，抵消凝固收缩作用小这就是为什么要提高碳当量及加强孕育促进石墨化的缘由 铸铁的收缩与铸造应力有着密切的关系，随着收缩的加大，铸造应力随之加大了解了这一点，就可以说明为什么不少企业用低碳当量高强度铸铁生产的灰铸铁件产生缩松或缩裂, 铸造应力大, 尺寸精度稳定性差的缘由了，这 在机床铸件上显得尤为突出。
2.5 铁—碳相图与冷却速度 上面探讨的铁—碳相图与铸铁力学性能, 铸造性能的关系，事实上就是铸铁成分〔碳当量〕即铸铁在铁—碳相图中的位置对铸铁性能的影响；但是，在实际生产中，一样成分下的铸铁，由于冷却速度不同，得到的组织也不同，从而对其力学性能也起着确定的影响作用 冷却速度影响铸铁共晶转变与共析转变的实质缘由是：冷却速度快，按—3C 进展；冷却速度慢，按—C 进展 2.5.1 过冷度与冷却速度 铸铁在凝固结晶时，其结晶的温度总是低于相图上的结晶温度，铸铁的实际结晶温度与相图上结晶温度的差值被称为过冷度，其单位是℃ 冷却速度是指铸型散热实力的大小，散热速度快，那么铁液在单位时间内温度下降快冷却速度的单位是℃ 因此，过冷度与冷却速度不是一个概念，但却有确定关系即冷却速度越大，过冷度也越大生产中指的过冷度是确定过冷度，不行与相对过冷度混淆表23 为不同铸型材料的冷却速度，表 24 为冷却速度与过冷度的关系 表 23 不同铸型材料的冷却速度 试棒直径 平均冷却速度/℃·1 预热型 〔250～300 ℃〕 干砂型 湿砂型 金属型 30 35 300 表 24 冷却速度与共晶过冷度的关系 冷却速度 /℃·1 16 56 97 158 319 383 共晶过冷度 /℃ 8 20 27 36 44 46 2.5.2 铸铁的冷却曲线 图 22 为亚共晶灰铸铁的冷却曲线。
图中为初生奥氏体析出的温度；为共晶开场成核温度；为共晶开场成长温度；为共晶凝固最高温度，称共晶平台；△T1 －，为确定过冷度；△T2－，为相对过冷度；为凝固完毕温度 2.5.3 冷却速度对铸铁共晶转变的影响 表 25 显示了过冷度从小到大时，铸铁共晶组织发生变更的过程 表 25 过冷度对铸铁共晶组织的影响 类别 特征 冷却曲线 共晶组织 灰口 铸铁 l.过冷度不大，过冷度△ T在 3C共晶线之上 2, , 皆在(石墨)与 3C两共晶线之间，结晶过程全部在两共晶线之间完成，组织为灰口 灰铸铁冷却曲线 ——〔石墨〕共晶线 ——3C共晶线 ——凝固终了温度 奥氏体+石墨 在此范围内，随着过冷度增加，石墨慢慢由 A型→B型→D, E型转化，同时，石墨化作用减弱，石墨数量削减，石墨细化，共品团数量增加 麻口 铸铁 1.过冷度较大，过冷度△ T降到3C线下，共晶初期结晶为白口组织(莱氏体)，随后升至 3C共晶 线以上结晶，结晶后期为灰 口组织见图〔a〕所示 2.麻口另一种状况是先期在两晶线之间结晶，结晶为灰口组织；而结晶后期在 3C共晶线以下进展，即结晶终了在之下，形成碳化物故结晶后期为白口组织，如图〔b〕 〔a〕 〔b〕 麻口铸铁冷却曲线 1.奥氏体+渗碳体+石墨 2.奥氏体+石墨+碳化物 白口 铸铁 在更大的过冷度下，结晶全部在3C共晶线以下进展，冷却曲线中的, , 皆在 3C的共晶线之下，共晶组织全部为 白口铸铁冷却曲线 莱氏体〔奥氏体+渗碳体〕 白口的莱氏体组织。
由表 25 可知，过冷度是影响铸铁组织的主要因数 过冷度越小，越不易出现渗碳体在生产中，未孕育的球化, 蠕化及高强度灰铸铁铁液的白口倾向特殊大，接受孕育处理的方法来降低其过冷度，使其在共晶转变时按—C〔石墨〕系结晶，即不产生渗碳体 过冷度越大，越易产生白口组织，因此，在生产中，常接受快速冷却和参加反石墨化元素等方法，增大过冷度，使其在共晶转变时，按—3C 系结晶，不出现石墨而全部为莱氏体组织，以此来生产白口铸铁, 轧辊, 冷硬铸铁等 有的企业还用孕育前后的过冷度比来限制铸铁质量 2.5.4 冷却速度对共析转变的影响 随着冷却速度的加大，共析转变的组织发生如下变更：铁素体→珠光体+铁素体→珠光体→细片状珠光体，使强度和硬度随着基体组织的变更而相应提高 冷却速度对组织的影响在生产中有着重要的指导意义，表 26 为影响铸件冷却速度的因素对铸铁组织与性能的影响，表 27 为某灰铸铁在不同冷却速度下所形成的铸铁组织另外，随着冷却速度的加大，共晶团数随之增加，见表28 表 26 影响铸件冷却速度的因素对铸铁组织与性能的影响 影响因素 对铸铁组织与性能的影响状况 铸件壁厚与冷却速度 铸件壁厚与冷却速度休戚相关。
壁厚减小，冷却速度增加，那么石墨细小, 珠光体增加，强度, 硬度上升；壁厚过薄，冷却速度加剧，那么过薄处出现渗碳体，强度下降，难加工；壁厚厚大，冷却速度很慢，那么石墨粗大, 铁素体增加，强度, 硬度下降 浇注温度 浇温高，对铸型预热好，冷速减慢，过冷度削减，石墨粗大，铁素体增多，强度下降，故浇温不行过高，厚大件的浇温更应严格限制 铸型材料 铸型材料不同，造成冷却速度的差异，可用化学成分与孕育方法来进展调整如对冷速快的，可提高碳当量，加强孕育；冷速慢的，可适当降低碳当量或参加合金此外，还可在铸件厚壁处实行加冷铁，在铸型中加通水管，在面砂中加铬铁矿砂等措施，以限制铸件的冷却速度 表 27 不同冷却速度下的铸铁组织 冷却速度/℃·1 铸铁组织 ＜200 粗片状石墨，珠光体+铁素体 200～300 细片状石墨，珠光体基体 300～500 D型石墨+珠光体基体 ＞500 珠光体+莱氏体，为白口铸铁 注：铸铁的化学成分〔质量分数〕为 C 3.4%， 2.5%， 0.4%，P 0.4%，S 0.1% 表 28 冷却速度对共晶团数的影响 试棒直径 冷却速度/℃·1 直径 70 图片中共晶团数量〔放大 40倍〕 41 50 11 30 77 14 22 168 18 15 266 24 2.5.6 冷却速度与铸件的热处理 铸铁热处理的原理就是依据冷却速度对铸铁共析组织的影响来进展的，即将已定型的铸态组织的铸铁通过加热到奥氏体温度区，然后用不同的冷却速度通过共析转变区，以此变更铸铁的基体组织。
表 29 为在热处理中，冷却速度对铸铁组织与性能的影响 表 29 热处理中不同冷却速度对铸铁组织与性能的影响 热处理名称 铸态组织 对热处理的要求 加热温度/℃ 冷却方式 热处理后 组织与性能 退火 基体为珠光体+铁素体 基体为铁素体 加热至奥氏体区 800～960 ℃ 炉冷，缓慢通过共析区 组织为铁素体，铸铁的塑性与韧性提高 正火 基体为铁素体+少量珠光体 基体为珠光体 加热至奥氏体区 880～960 ℃ 空冷或雾冷，快速经过共析区 组织为珠光体，铸铁的强度, 硬度, 耐磨性提高 淬火 基体为珠光体+铁素体 基体为马氏体 加热至奥氏体区 880～干脆放至230 ℃以下淬组织为马氏体，铸铁具 960 ℃ 火液中冷却 有高硬度, 高耐磨性 等温淬火 球墨铸铁基体为珠光体 基体为贝氏体+局部富碳奥氏体 850～940 ℃ 干 脆 放 至240~400℃淬火液中冷却并保温 组织为贝氏体 ， 强 度 , 硬度大幅度提高，并有较好的韧性 可锻铸铁退火 白口组织珠光体+渗碳体 基体为铁素体 880～960 ℃ 炉泠，缓慢通过共析区 组织为铁素体，具有较高的韧性和塑性 可锻铸铁正火 白口组织珠光体+渗碳体 基体为珠光体 880～960 ℃ 空冷或雾冷，快速通过共析区 组织为珠光体，具有较高的强度, 硬度, 耐磨性 2.6 铁—碳相图与孕育 从相图的双重性看，孕育的主要作用是变更了铸铁在共晶转变的结晶方式，变铁液按—3C 系进展的共晶转变为按—C〔石墨〕系进展的共晶转变，从而变更了铸铁的组织，见表 30。
从共晶过冷度看，孕育的作用主要是降低了共晶的过冷度，从而使铸铁的共晶转变按—C〔石墨〕系进展，见表 31 表 30 孕育处理对共晶转变与组织形成的影响 类别 孕育前 孕育后 孕育铸铁 皆按3C系皆按〔石墨〕系进展共晶转变， 球墨铸铁 蠕墨铸铁 进展共晶转变，形成的组织为奥氏体+渗碳体 形成的组织为奥氏体+石墨 表 31 孕育前后冷却曲线的比照 类别 孕育前的冷却曲线 孕育后的冷却曲线 孕育铸铁 共晶转变按 3C进展 共晶转变按〔石墨〕进展 球墨铸铁 蠕墨铸铁 。