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铸铁属于铁基高碳多元合金,其常存元素,除铁以外,一般含U'(C)为2%一4960,w(Si)为1%一3%以及锰、磷、硫。碳在铸铁中通常以三种状态存在:形成石墨晶体单独存在;与铁形成二元或多元化合物以化合状态存在;溶人a-Fe或7-F。中以固溶状态存
在。
由于化学成分和结晶条件不同,铸铁液一固相变有二重性,凝固后产生不同的高碳相,即渗碳体或石墨。渗碳体组织在高温下不稳定,发生分解,分解出来的碳,大部分转变为石墨晶体,因而渗碳休属于可分解的亚稳定相,石墨晶体则称为稳定相。不同的高碳相赋予铸铁以截然不同的性能。高碳相为渗碳体的铸铁断面呈银白色,硬而脆,称为白口铸铁。高碳相为石墨的铸铁断面呈灰黑色,硬度低,称为灰口铸铁。铸铁组织中高碳相类型、形态、数量、分布状态都影响铸铁性能。
铸铁组织的形成经历两个阶段。第一阶段为凝固过程,形成凝固组织;第二阶段为固态相变过程,由凝IAi rn织转变为室温组织。了解铸铁组织及其形成过程和转变规律通常需要借助铁碳合金相图。相图上的相区、相变临界点数据来自实验或热力学计算,这些数据符合热力学平衡条件。也就是说,合金温度发生变化时,其组分原子有充分时间迁移而达到该温度下的浓度平衡。平衡状态虽然难以在铸件实际相变过程中出现,但要认识合金组织形成
过程和组织转变规律,首先需依靠合金相图。
碳和硅都是铸铁中主要常存元素。硅的存在使铁碳相图发生明显变化,有助于提高铁碳合金按稳定系转变倾向。因此,硅是影响铸铁组织的重要元素。为了进一步掌握铸铁组织的变化规律,人们构建了铁碳硅三元相图。三元相图比铁碳二元相图更加接近工业铸铁实际情况。讨论铸铁组织及其形成规律,首先从铁碳二元相图和铁
碳硅三元相图开始。
1.2.4铸铁凝固组织形成过程中各相自由能变化
显示的是熔液温度高于液相线温度,任何成分的液相其自由能均小于可能析出的固相Y和C的自由能。在此温度下,Y和C均不能析出。图1-6显示铁水过冷到低于液相线的温度几。由Gz曲线看,成分为二,(C)的液相自由能高于液相和奥氏体两相平衡混合体自由能差值为OG丁:,此差值即为析出奥氏体的热力学驱动力〔31。液相中碳平衡浓度随温度下降而提高,形成向外的碳化学位梯度。液相中碳原子将在热对流促进下向外扩散。温度进一步下降,奥氏体进一步生长。液相的碳浓度不断增加,直到共晶成分。
显示过共晶成分铁水降温到液相线以下的温度(T)时,其碳浓度二(C)超过平衡浓度二(C,),过冷铁水自由能比液相
与石墨平衡的两相混合自由能高AGT,, OGr,就是析出石墨的热力学驱动力。如果液相中石墨形核条件合适,将有初生石墨析出。
共晶成分铁水过冷到低于平衡共晶转变温度时,碳和铁同时处于过饱和状态.液相自由能高于奥氏体一石墨平衡混合自由能。如果凝固条件促使合金按稳定系转变,液相将转变为奥氏体十石墨。固相析出后,液相与石墨界面和液相与奥氏体界面碳浓度差液相中铁原子过饱和,奥氏体随之继续结晶,直到共晶转变完成。
.2.5新相形核
晶核是晶体生长的起点。大部分晶核中存在着与品体结构不完全相同的异质物。热力学计算表明,与匀质形核(高温液相中,由于存在能量起伏和成分起伏,可能出现一些呈聚染状态的原子集团,这些原子集团以准晶体排列方式达到有效晶核临界尺寸后,可能成为有效晶核)相比,在异质物上形成晶核(异质形核)只需较低的形核能量,形核几率较高,容易形成有效晶核。
异质形核的基础物质(异质物)在本书中称为形核基质。形核基质的结构应易于接纳形成晶核的原子,能在高温液相中稳定存在。对于铸铁,形核基质常是铁水中的氧化物、硫化物、碳微粒等。
能M变化伴随形核全过程。凝固时析出固相使体积自由能(Gv)减少,界面自山能(Aa,j)增加。前者促进相变,后者阻碍相变。形核总自由能变化可由下式表示(v和A分别为晶核体积和表面积)
AG=一VAGv+Aa,
假设晶核为圆球状,热力学分析表明,当其半径小于某一临界厦(r'),界面能大于体积自山能,AG>0,品核是不稳定的;只有当其半径超过r’后才能成为稳定晶核。临界晶核尺寸计算值:r.=2a,,T,/(LAT)
式中,T,为金属熔点;L为熔化潜热。此式表明临界晶核尺寸与单位面积表面能04成正比,与结品过冷度AT成反比。a5I减小或过冷度增加则临界晶核尺寸减小,从而使临界形核功减小,形核几
率增加。
形核基质的晶体结构是影响。值的主要因素。形核基质晶格应能与形核相晶格有一定匹配关系。可能相互匹配的晶格常数差异(错配度)应在一定范围之内。错配度S按下式计算:S=玉止卫。a日x 100%式中,Q。和。。分别为形核基质与形核相的相应晶格常数。用纯铁进行的试验表明:612%属于非共格晶面,不能形核。
由于形核时,形核基质发生膨胀,形核相发生收缩,导致界面上产生应变,即使是理想共格界面也难以使两种原子在界面上共同占据晶格常数相同的格点位置。半共格界面山一些匹配良好的共格界面区和一些界面位错造成的失配区构成。错配度取决于界面应变和界面位错的综合效应。这种界面的实例是六方晶体的(0001)晶面在立方晶体的(111)晶面上形核。
应变能和位错造成的错配对临界形核功的影响示意于图1-8143。错配度较小时,应变能造成临界形核功的增长量小于位错能,因此共格界面有利于形核。当错配度增加到一定程度后.应变能与位错能相比,前者使临界形核功增加得更多。因此,半共格界面更有利干形核。这个结论.在铸铁孕育的研究中已经得到证实。液相与形核基质间的润湿性是影响形核界面能的主要因素。润湿是液相与固相接触后体系自由能降低所产生的现象。润湿越充分,形核界面能越低,越有利于异质形核。
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