铸铁显微组织分析

铸铁中的碳通常是以石墨、渗碳体这两种形式存在。由于化学成分和冷却速度的不同，铁碳合金凝固过程中得到不同的基体组织、石墨或渗碳体，从而生产不同的铸铁件。

1.石墨（G）

石墨是碳的一种同素异构体，具有六方晶结构，如图11-1所示。石墨晶体中的碳原子以层状形式排列，同层原子之间是以共价键结合，结合力较强；层与层之间则以极性键结合，结合力较弱。因此，石墨极易分层剥离，强度极低，铁液凝固过程中容易长成片状结构。但是，在干扰元素的作用下又能按变异的生长方式长大，形成球状石墨或蠕虫状石墨，得到球墨铸铁或蠕墨铸铁。

在铁液凝固过程中，根据铁液化学成分和不同的析出时间，有初生石墨、共晶石墨、二次石墨、共析石墨，其形态有片状、蠕虫状团絮状、团状和球状，对铸铁的性能有着重要的影响。

图11-1 石墨的晶体结构示意图

石墨密度小，强度低，导电导热性能好。因此，铁液凝固过程中析出石墨常常形成石墨化膨胀，降低铁液因冷却带来的体积收缩。同时，大量石墨的析出又会降低铸件的强度，特别是铸件厚大断面缓慢冷却造成石墨粗大，显著降低铸件的强度和致密性。

2.渗碳体（Fe₃C）

铁液冷却凝固过程中，快速冷却或在强碳化物元素的作用下容易生成大量的白口组织，其中最基本的显微组织为渗碳体（Fe₃C）。渗碳体（Fe₃C）是一种复杂晶体结构的间隙化合物，碳的质量分数为6.69％，如图11-2所示。

图11-2 渗碳体的晶体结构示意图

渗碳体是铁液凝固过程中生成的一种亚稳态高碳相，根据化学成分和析出时间，有初生渗碳体、共晶渗碳体、二次渗碳体和共析渗碳体，其形状可为大片状、板条状和网状等。

渗碳体的硬度很高，强度低，脆性高，显著降低铸铁的抗拉强度，提高硬度和耐磨性。在合金铸铁中，Fe₃C中的铁原子可以被Mn、Cr、W、Mo等合金原子置换，形成合金（Fe，Mn）₃C与（Fe，Cr）₃C等以Fe₃C为基的合金渗碳体。Fe₃C中的C可以被B置换而形成Fe₃（C，B）。(www.xing528.com)

3.奥氏体组织（γ或A）

奥氏体即γ相，符号为γ或A，为碳在γ铁中的间隙固溶体，存在于723～1493℃之间，1147℃时最大的溶碳质量分数为2.14％。奥氏体为面心立方体奥氏体分为初生奥氏体和共晶奥氏体两类。奥氏体是以铁为基的固溶体组织合金成分在凝固过程中产生成分偏析，并在随后的冷却过程中转变成铁素体或珠光体组织。奥氏体组织对铸铁的力学性能有着重要的影响，对铸铁起到支撑骨架的作用，防止受力时裂纹的扩展。

4.共晶团

共晶团是铸铁共晶转变的产物。当铁液冷却至共晶温度时，铁液中的石墨和奥氏体共生生长，形成团球状的共晶团。共晶团的数量、大小和均匀性都对铸铁的力学性能产生重要影响。

5.莱氏体（Ld）

莱氏体是按亚稳态转变时的共晶组织，是由奥氏体和渗碳体协同生长而成的机械混合物，呈片状、板条状存在，成为白口铸铁的主要组织。当温度冷却到Ar1以下时，转变成珠光体和渗碳体。莱氏体组织硬度高，脆性大。

6.铁素体（F）

铁素体即δ相、α相，是碳在铁中的固溶体组织。铁素体为体心立方结构δ相存在于1392～1536℃之间，1493℃时最大的溶碳质量分数为0.086％。α相存在于911℃以下，723℃时最大的溶碳质量分数为0.034％。铁素体组织塑性好，硬度低。

7.珠光体（P）

珠光体是过冷奥氏体共析转变时形成的机械混合物，是由铁素体和渗碳体按层片状交替排列的层状组织。按共析转变时过冷度的大小，可形成正常片状珠光体、细片状珠光体（索氏体）和极细的珠光体（托氏体），还可以通过热处理使珠光体中的渗碳体粒状化而得到粒状珠光体。

珠光体强度高，硬度高，是高强度铸铁合金的重要组成部分。