合金元素对球墨铸铁力学性能的影响分析

球墨铸铁的力学性能因其石墨呈球形，所以主要取决于基体组织。球墨铸铁的基体组织可以有铁素体、珠光体、索氏体、托氏体、奥氏体、贝氏体和马氏体，强度有400～1600MPa。这些基体组织可以通过热处理或通过加入合金元素或通过控制冷却速度于铸态得到。

和其他塑性材料一样，在球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、硬度、断后伸长率和冲击韧度之间存在着规律性关系。随着抗拉强度的提高，断后伸长率和冲击韧度下降。抗拉时的弹性模量为160×103～185×103MPa；弹性模量值首先取决于石墨数量；而基体组织与合金元素此时对弹性模量值则起着次等的作用。

图5-29示出了球墨铸铁抗拉强度与断后伸长率之间的关系，图5-30示出了球墨铸铁的抗拉强度与硬度之间的关系。由图5-29可以看出，球墨铸铁的性能可以分为三类：①现行工业生产上可以达到的；②在技术上采取先进措施 （如孕育、合金化）可以达到的；③采用特殊方法（如等温热处理）得到的。显然，合金化可以明显提高球墨铸铁的力学性能。

图5-29　球墨铸铁抗拉强度与断后伸长率的关系

注：图中GGG代表德国球墨铸铁牌号

图5-30　球墨铸铁抗拉强度和硬度的关系

注：图中GGG代表德国球墨铸铁牌号；箭头后数字为布氏硬度值(www.xing528.com)

合金元素对球墨铸铁力学性能的影响，可以归结为如下几个方面：①提高强度；②改善韧性；③改善断面均匀性；④减小断面敏感性；⑤提高高温性能；⑥提高硬度；⑦改善低温性能。

把合金元素加入到球墨铸铁中，可显著提高铁素体的抗拉强度和硬度。例如，增加含硅量，将提高抗拉强度和硬度，并使断后伸长率和冲击韧度降低，并使机械加工性能恶化。

铜、钼、镍对铁素体的作用与硅相似，铜对低温冲击韧度没有明显的负作用；当含钼量大于0．5%时，则使铁素体基体球墨铸铁的冲击韧度下降。图5-31示出合金元素固溶强化对铁素体球墨铸铁性能的影响。

在球墨铸铁中加入合金元素，首先是为了控制基体组织。在大多数情况下，加入合金元素可以免除热处理。铜、镍、钼、锡等合金元素可使球墨铸铁在铸态下获得不同数量的珠光体，同时，这些合金元素还可使珠光体不同程度的细化。珠光体越细，则抗拉强度也越高，但断后伸长率也相应下降。

图5-31　合金元素固溶强化对铁素体球墨铸铁抗拉性能的影响

合金元素对球墨铸铁力学性能的作用因其基体组织和热处理的不同而有明显的区别。原则上可以说，如果是强化铁素体，就会导致强度有明显提高，这就会使塑性和韧度降低，并使脆性转变温度升高。有时会出现 “合金化过量”的情况，此时，脆性转变温度会升高至室温以上，同时，抗拉强度也下降。这种情况在铸态尤其明显，因为经过热处理以后，有可能通过均匀化而使这种“合金化过量”的情况得以减轻。

合金元素对球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度、硬度、断后伸长率和冲击韧度的作用是很显著的。主要是为了提高强度，一般采用低合金的加入量范围。采用低合金数量范围的特点是，不影响石墨球化，铁素体得到强化，断面均匀性和断面敏感性改善，而且最主要的是增加珠光体数量并使珠光体细化或者是得到贝氏体的基体组织。