(完整版)第二章-铸铁的结晶及组织形成课件.ppt

1、第一节第一节 铁碳双重相铁碳双重相图图第二节第二节 铸铁的结晶过程铸铁的结晶过程第三节第三节 铸铁的组织影响因素铸铁的组织影响因素重点：铁碳相图的二重性、铸铁的一次、重点：铁碳相图的二重性、铸铁的一次、二次结晶过程二次结晶过程难点：铁碳合金在结晶过程的影响因素难点：铁碳合金在结晶过程的影响因素第一节第一节 铁碳双重相铁碳双重相图图一、一、Fe-CFe-C 及及 Fe-C-SiFe-C-Si 状态图状态图n1.碳碳 在在 铸铁中三种存在铸铁中三种存在形式形式n2.Fe-C2.Fe-C相图的二重性相图的二重性(实实线线)的的.动力学动力学-nFeFe+Fe3C与与FeFe+G+G相图的不同处相图的

2、不同处:3.硅显著改变硅显著改变 Fe-C Fe-C 系的临界温度和各临界点的含碳量系的临界温度和各临界点的含碳量 和改变铸铁的组织和改变铸铁的组织 的作用的作用:/(1/)EGCTTKK SC1SC RG1,RG1,这时奥氏体就可这时奥氏体就可能把片状石墨包围住能把片状石墨包围住,造成石墨在奥氏体外造成石墨在奥氏体外壳包围下生产的局面。壳包围下生产的局面。共晶团有两种形态共晶团有两种形态:即慢冷即慢冷 ,石墨分石墨分枝枝少少,呈蟹状呈蟹状;快冷快冷,石墨分校多石墨分校多,呈球状呈球状。亚共晶灰铸铁的显微组织由初生亚共晶灰铸铁的显微组织由初生和共和共晶晶团团组成组成,其三维立体结构如图其三维立

3、体结构如图3.143.14所示所示,共晶团共晶团大小按单位面积的共晶团数计算大小按单位面积的共晶团数计算,其尺寸取决于铁水的形核能力其尺寸取决于铁水的形核能力.灰口灰口铸铸铁的铁的力学性能一般随共晶团数的增加而增大力学性能一般随共晶团数的增加而增大较较困难困难,而在有缺陷的晶面上堆积则容易得多。而在有缺陷的晶面上堆积则容易得多。3 n片状石墨在生长过程中由于晶格缺陷或杂质元素的干扰而产生分枝片状石墨在生长过程中由于晶格缺陷或杂质元素的干扰而产生分枝 ,但本质但本质上仍属单晶生长上仍属单晶生长,由于由于a a轴方向比轴方向比C C轴方向生长速度快轴方向生长速度快,并且不断发生分枝并且不断发生分枝

4、,结果结果在共晶团内形成花瓣形结构在共晶团内形成花瓣形结构,在花瓣形石墨片之间夹杂着金属基体。在花瓣形石墨片之间夹杂着金属基体。片状石墨片状石墨/奥氏体共晶团奥氏体共晶团直径直径约为约为(0.51.0)mm,而球状石墨共晶团中央只有而球状石墨共晶团中央只有一粒石墨球一粒石墨球,共晶团共晶团直径直径约为约为1.0mm,石墨球直径约为石墨球直径约为(0.030.05)mm,只占只占共晶团共晶团直径直径1/25,或相当于片状石墨共晶团或相当于片状石墨共晶团直径直径的的 1/151/25.可知可知,球状石球状石墨的生长速度比片状石墨缓慢得多。墨的生长速度比片状石墨缓慢得多。一定成分的铁水经球化和孕育处

5、理后一定成分的铁水经球化和孕育处理后,石墨晶核即从铁水中析出石墨晶核即从铁水中析出,由于微区成分由于微区成分和温度的波动和温度的波动,不同区域产生晶核的时机不一定相同不同区域产生晶核的时机不一定相同,对某对某一一瞬间来说瞬间来说,有的正有的正在形核在形核,有的已进有的已进入入初期生长阶段初期生长阶段,有的石墨球已长成一定尺寸有的石墨球已长成一定尺寸,所以我们实际所以我们实际观察到的球状石墨直径总是大小不一。观察到的球状石墨直径总是大小不一。球墨铸铁的石墨球墨铸铁的石墨/奥氏体共晶团的生长过程可用图奥氏体共晶团的生长过程可用图3 31919来描述假设共晶生长以奥氏体形核开始来描述假设共晶生长以奥

6、氏体形核开始,在如图在如图3.19(e)3.19(e)所示的过冷条件下所示的过冷条件下,奥氏体经过奥氏体经过一段时间生长之后一段时间生长之后枝枝晶间的铁水的碳浓度分布晶间的铁水的碳浓度分布如图如图3.193.19（b b）所示）所示,在奥氏体枝晶附近出现一在奥氏体枝晶附近出现一个富碳区个富碳区,如果该处有石墨晶核存在则石墨将如果该处有石墨晶核存在则石墨将会生长会生长,于是临近奥氏体的熔体含碳量发生如于是临近奥氏体的熔体含碳量发生如图图 3.19(c)3.19(c)的变化的变化。由于石墨球形核由于石墨球形核和生长导致周围熔体贫碳富铁和生长导致周围熔体贫碳富铁 ,从而促使形成奥氏体外壳从而促使形成

7、奥氏体外壳,随后石墨球在奥氏体包随后石墨球在奥氏体包围下生长围下生长。碳原子在铁水中的扩散速度比在奥碳原子在铁水中的扩散速度比在奥氏氏体中快体中快2020倍左右倍左右,所以石墨球形成初期和奥氏体外所以石墨球形成初期和奥氏体外壳形成以后的生长速度变化很大壳形成以后的生长速度变化很大,奥氏体外奥氏体外壳壳是阻是阻碍碳原子扩散降低石墨生长速度的主要因素碍碳原子扩散降低石墨生长速度的主要因素,这种这种现象有助于保持石墨球状结构现象有助于保持石墨球状结构,但不是石墨变成球但不是石墨变成球状的根本原因状的根本原因。n图图3.203.20表示球状石墨直接从铁水中析出并形成奥氏体壳的情况表示球状石墨直接从铁水

8、中析出并形成奥氏体壳的情况。首先首先,球状球状石墨在铁水中形核石墨在铁水中形核,由于形核需要碳原子从铁水向石墨球聚结由于形核需要碳原子从铁水向石墨球聚结,于是于是,在石墨在石墨晶核周围形成一个富铁区晶核周围形成一个富铁区,在一定的过冷度条件下在一定的过冷度条件下,奥氏体外壳在该富铁区内奥氏体外壳在该富铁区内形成形成,然后球状石墨和奥氏体各自独立生长然后球状石墨和奥氏体各自独立生长。球状石墨各个生长阶段的碳浓球状石墨各个生长阶段的碳浓度变化示于图度变化示于图3 320(a)20(a)、(b)(b)、(c)(c)。n需要指出的是球状石墨和片状石墨需要指出的是球状石墨和片状石墨的生长模式完全不同的生

9、长模式完全不同,在片墨在片墨/奥氏体奥氏体共晶生长中片墨的共晶生长中片墨的(1010)(1010)方向的生长方向的生长速度速度 RGRG1 1起主导作用起主导作用，而球墨而球墨/奥氏奥氏体共晶生长中的石墨的体共晶生长中的石墨的00010001方向或方向或C C轴方向的生长速度轴方向的生长速度RG2RG2起主导作用然起主导作用然而而,由于球状石墨结构特殊由于球状石墨结构特殊,实际上在实际上在同一过冷度下同一过冷度下RG2RG2比比RGlRGl小得多小得多,即即RG2-RG2-T T曲线明显右移曲线明显右移,如图如图3 320(d)20(d)所示所示,而奥氏体的生长速度保持不变而奥氏体的生长速度保

10、持不变;结果在任何过冷度条件下结果在任何过冷度条件下RrRr始终大于始终大于RG2RG2所以球状石墨一旦形成就很快被所以球状石墨一旦形成就很快被奥氏体包围。奥氏体包围。n5 5 螺旋位错和分枝机理螺旋位错和分枝机理n观察发现观察发现,球状石墨表面存在螺旋位错结构球状石墨表面存在螺旋位错结构,如如图图 3.31 3.31 所示所示,碳原子沿螺旋位错台阶堆积形碳原子沿螺旋位错台阶堆积形成小丘成小丘,小丘扩大使石墨沿小丘扩大使石墨沿a a轴方向生长。由轴方向生长。由于杂质元素的隔离或吸附使基面不断出现于杂质元素的隔离或吸附使基面不断出现晶晶格格缺陷缺陷,它成为基面产生螺旋位错的根源它成为基面产生螺旋

11、位错的根源,足够多足够多的位错密度保证的位错密度保证C C轴方向获得一定的生长速度。轴方向获得一定的生长速度。由由于于杂质元素的阻碍或碳原子扩散困难杂质元素的阻碍或碳原子扩散困难,微晶微晶侧面可能发生孪晶分枝侧面可能发生孪晶分枝,孪晶旋转角为孪晶旋转角为404022,22,如如图图 3.32 3.32 所示。所示。n球状石墨实际上是由若干个锥状微晶组成的聚球状石墨实际上是由若干个锥状微晶组成的聚合体合体。如如如其中一个微如其中一个微晶晶的的C C轴生长速轴生长速度特别大则形成球状分度特别大则形成球状分枝枝石墨石墨 ;。(二二 )气泡理论气泡理论早期的气泡理论由前苏联学者提出早期的气泡理论由前苏

12、联学者提出,他认为镁加入铁水后产生大量气泡他认为镁加入铁水后产生大量气泡,气泡上升气泡上升时和铁水中的时和铁水中的COCO、CO2 CO2 发生以下反应发生以下反应 :nMgMg气十气十 CO=CO=MgOMgO固固 +C+C固十固十 499.1kJ/mol499.1kJ/moln2Mg2Mg气气+CO2=2MgC+CO2=2MgC固固+C+C固固 +410.3kJ/mol+410.3kJ/moln生成的碳原子吸附在气泡表面成为石墨的结晶核心生成的碳原子吸附在气泡表面成为石墨的结晶核心,气泡表面层被碳原子填满形成气泡表面层被碳原子填满形成球状石墨球状石墨,周围熔体因贫碳而成为奥氏体外壳周围熔体

13、因贫碳而成为奥氏体外壳,使石墨在奥氏体包围下生长。使石墨在奥氏体包围下生长。n早期的气泡理论无法解释往铁水中加入不气化稀土早期的气泡理论无法解释往铁水中加入不气化稀土可可以使石墨变为球状的问题。以使石墨变为球状的问题。n 日本的张博教授发展了气泡理论日本的张博教授发展了气泡理论,进行大量的试验研究进行大量的试验研究,他描述的球状石墨生长过他描述的球状石墨生长过程程,如如图图 3.30 3.30 所示。所示。n如果铁水中存在微小气泡则气如果铁水中存在微小气泡则气-液界面是石墨最容易结晶的地方液界面是石墨最容易结晶的地方,首先在气泡表面首先在气泡表面上多处形成石墨微晶上多处形成石墨微晶,然后这些微

14、晶在然后这些微晶在C C轴方向形成板块晶并沿气泡表面生长轴方向形成板块晶并沿气泡表面生长,如如板块晶生长前沿相互干涉板块晶生长前沿相互干涉,则该处成为微晶晶界则该处成为微晶晶界 ，与此同时与此同时,板块晶从气泡表面板块晶从气泡表面沿沿C C轴向内部生长轴向内部生长,当石墨充满气泡时就形成球状外型当石墨充满气泡时就形成球状外型.内部结构为放射状多层堆积内部结构为放射状多层堆积的网状晶面的石墨。假如石墨充满气泡后铁水中仍有过剩碳的网状晶面的石墨。假如石墨充满气泡后铁水中仍有过剩碳,石墨将在气泡的外侧石墨将在气泡的外侧生长生长.如石墨外围没有完全被奥氏体包围有一部分和液相接触则石墨将沿这个方向如石墨

15、外围没有完全被奥氏体包围有一部分和液相接触则石墨将沿这个方向快速生长快速生长 ,形成带分形成带分枝枝的球状石墨的球状石墨。4 第三节第三节 铸铁的组织影响因素铸铁的组织影响因素 Al、C、Si、Ti、Ni、Cu、P、Nb、Mn、Mo、S、Cr、V、Fe、Mg，Nb为中性元素，Nb之前为石墨化 元素，之后为反石墨化元素，各元素位置离Nb越 远，其作用越强。不同不同C+Si含量，不同壁厚（冷却速度）铸件的组织含量，不同壁厚（冷却速度）铸件的组织 n铸铁的铸铁的冷却速度冷却速度主要决定于铸件的壁厚和铸型材料。主要决定于铸件的壁厚和铸型材料。n例如铸铁在砂型中冷却比在金属型中冷却慢；铸件越厚，例如铸铁在砂型中冷却比在金属型中冷却慢；铸件越厚，冷却越慢。这样的铸件有利于石墨化。冷却越慢。这样的铸件有利于石墨化。