合金元素对铸铁力学性能的影响

编辑导读：介绍了灰铸铁的共晶度、相对强度、相对硬度和质量指标的概念及计算公式。指出灰铸铁的抗拉强度受共晶度、壁厚强烈影响的同时，也与熔炼、铸造条件以及原材料有很大关系;可用相对强度(RG)来判断熔炼与铸造条件是否得当。同时说明了合金元素对球墨铸铁的抗拉强度、屈服极限、硬度、伸长率和冲击韧性的作用情况。

1 灰铸铁的相对强度、相对硬度和质量指标

1.1 相对强度

灰铸铁的强度取决于基体的强度以及石墨的形状、分布和数量。在熔炼条件和凝固速度相同的情况下，石墨的形态几乎是由化学成分来决定。

为了表示灰铸铁中石墨与化学成分之间的关系，采用实际含碳量对碳的共晶成分之比值，即共晶度(或叫碳饱和度)的概念。共晶度以下式表示:

经研究，抗拉强度与共晶度S_C之间呈直线关系：R_m=d-eS_C

上式中d、e为常数，此关系是在砂型铸造ϕ30 mm试棒上所获得的。显然，共晶度高，则强度低。不过，由于铸造条件尤其是熔炼条件的不同，也会造成差异。

经过数理统计处理，得到至今广为承认的公式R_m=102-82.5S_C(kg/mm²)

共晶度增高，会使抗拉强度下降的原因是：由于共晶度增高，石墨数量增加。当共晶度相同时，如果Si/C比值不同，则石墨数量也改变。对于低强度灰铸铁来说，Si/C比值几乎对抗拉强度没有影响;但是，对于高强度灰铸铁来说，孕育处理的影响则是十分显著的。

Si/C比值高，则石墨数量减少;同时，由于硅高，使基体强化，因而使强度提高。例如，当S_C=0.9，Si/C=1时，抗拉强度可提高至400 MPa。

此外，抗拉强度与石墨数量(C_gr，%)、化合碳(C_con，%)以及密度(d，g/cm³)有关。在砂型铸造ϕ30 mm 试棒时，有如下公式：

R_m=-752.6+112.7·d-7.2C_gr-24.5C_con(kg/mm²)

灰铸铁中常规五元素对抗拉强度的影响可按下式计算：

R_m=122.0-24.5C-6.0Si-8.2P+2.3Mn-18.9S(kg/mm²)

有很多关于壁厚与抗拉强度之间的数学公式，例如，与标准的ϕ30 mm直径的试棒进行对比，x mm直径试棒的抗拉强度表示如下：

由上式，可求出各种壁厚的强度值如表1所示。

表1 不同直径铸态试棒的强度计算式

灰铸铁的抗拉强度受共晶度、壁厚有强烈影响的同时，它也与熔炼、铸造条件以及原材料有很大关系。因此，在铸件壁厚和共晶度一定的情况下，抗拉强度会有很大的变化。当然，在壁厚和共晶度不变的情况下，正常的熔炼和铸造条件会得到正常的抗拉强度。所以，用实际的抗拉强度与正常的抗拉强度之比值，就可判断熔炼与铸造条件是否得当。为此，用相对强度(RG)来判断：

在生产条件下，RG值可在60%～130%的范围内波动;RG值越高，说明材质越好。

抗拉强度与石墨形态关系很大。A型石墨最好，E型次之，最差者是E、D、B型的混合。

此外，孕育处理、过热温度也有很大的影响。如果未经过热又未经孕育处理，则抗拉强度下降，相对强度RG值也下降。如果未经过热但却进行孕育，同样，抗拉强度和相对强度RG值均很低。如果过热温度很高又经过孕育处理，则抗拉强度和RG值均很高。

另外，浇注温度也有影响。如果把铁液过热至1 500～1 550 ℃并经过孕育处理后，浇注温度1 350 ℃比1 450 ℃的抗拉强度要高。图1为过热温度1 500～1 550 ℃孕育铸铁ϕ30 mm试棒的浇注温度、相对强度和共晶度的关系。

图1 浇注温度、相对强度、共晶度的关系

1.2 相对硬度

对于具有正常石墨形态的灰铸铁来说，在共晶度相同的情况下，因石墨数量的不同会使硬度值发生变化，石墨数量与布氏硬度之间有如下的关系：

HBW=414-75%Cgr

式中Cgr——石墨数量，一般在2.0～3.4之间。

除了石墨数量以外，石墨形状对布氏硬度也有影响：

HBW=297-51.3%Cgr+12.5(A型石墨)-0.64(D型+E型石墨)

图2为抗拉强度、共晶度与石墨形状的关系，图3为ϕ30 mm 试棒孕育与未孕育情况下抗拉强度、相对强度与过热温度的关系。

图2 抗拉强度、共晶度与石墨形状的关系

图3 ϕ30 mm试棒孕育与未孕育情况下抗拉强度、相对强度与过热温度的关系

薄壁处由于形成白口而使硬度急剧增加，对此必须给予注意。壁厚与铸件的模数(体积 /表面积之比)有关。由此，灰铸铁铸件的硬度可由下式确定：

logHBW=(0.402S_C-0.169)logS/V+log(-153·S_C+355)

式中S——铸件表面积;V——铸件体积。

硬度、抗拉强度分别与共晶度几乎呈直线关系，因此，硬度与抗拉强度也几乎呈直线关系，亦即

HBW=100+4.3R_m

抗拉强度用相对强度来判断;同样，硬度也用相对硬度来判断。相对硬度是指实际硬度对正常硬度的比值。

当抗拉强度相同时，硬度越低，说明材质越好。这也就是说，RH=1是正常的材质;RH<1是优良材质;RH>1则是劣等材质。

1.3 质量指标

在化学成分相同和铸件壁厚相同时，由于铸型刚度、铁液过热程度、浇注温度、原材料的遗传性和孕育工艺的不同，可得到不同的力学性能。为了评价各种因素对灰铸铁质量的最终影响，除了“相对强度”、“相对硬度”的概念以外，还提出了“质量指标”的概念，其出发点就是要在一定的化学成分范围内，得到较高的相对强度和较低的相对硬度，即

式中GZ——质量指标;RG——相对强度;RH——相对硬度。

“质量指标”大于1，表明实际得到的灰铸铁质量超过了正常计算值。

上述这三个概念适用于普通灰铸铁，也适用于低合金灰铸铁。在灰铸铁中，加入合金元素的主要目的是得到全珠光体基体组织和提高抗拉强度。此时，必然要进行考核的是，在提高强度的同时，硬度值是否也相应得到提高。

现以相同炉料和熔炼条件下，熔炼普通灰铸铁、低铬铸铁、铜铬低合金铸铁和铜铬钼低合金铸铁的质量指标数据示于表2。

表2 几种铸铁质量指标的对比

由表2可以看出，在灰铸铁中，由于加入了合金元素，可使铸铁的质量指标提高。并且，低铬铸铁比铜铬低合金铸铁的质量指标要差;而铜铬低合金铸铁则比铜铬钼低合金铸铁的要差。这也就是说，随着合金元素的增多，质量指标也相应增加。

在低合金灰铸铁中，最常用的合金元素为铬、钼、铜、镍、锰、钒等，它们对ϕ30 mm试棒的抗拉强度和硬度的影响见图4和图5所示。由于钒过量时，会出现白口组织，因而在低合金铸铁中的加入量一般在0.3%以下。除此以外，由图4可以看出，钼能最显著地提高灰铸铁的强度;而由图5可以看出，铬则能最显著地提高灰铸铁的硬度。由此可以得知这两个合金元素的影响图表，对于为改善铸铁的质量指标而进行的合金化，提供了重要的参考依据。

图4 合金元素对灰铸铁抗拉强度的影响

图5 合金元素对灰铸铁布氏硬度的影响

此外，在多元素的低合金铸铁中，单个合金元素对灰铸铁抗拉强度的影响示于图6。由图6可以看出，单个合金元素作用系数的乘积，即是多元素合金化对灰铸铁抗拉强度的提高作用。亦即，对于某种合金灰铸铁来说，其抗拉强度R_m(有合金)=R_m(无合金)·f₁·f₂·f_n，其f₁、f₂、f_n分别为与合金元素加入量对应的合金元素系数。

图6 计算合金灰铸铁抗拉强度用的合金元素系数

2 合金元素对球墨铸铁力学性能的影响

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、奥铁体和马氏体，强度在350～1 600 MPa。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、屈服极限、硬度、伸长率和冲击韧性之间存在着规律性关系。随着抗拉强度的提高，伸长率和冲击韧性下降。抗拉时的弹性模量为(16.0～18.5)×103×10 MPa;弹性模量值首先取决于石墨数量，而基体组织与合金元素对弹性模量值则起着次等的作用。

图7示出了球墨铸铁抗拉强度与伸长率之间的关系;图8示出了球墨铸铁的抗拉强度与硬度之间的关系。由图7可以看出，球墨铸铁的性能可以分为：现行工业生产上可以达到的;在技术上采取先进措施(如孕育、合金化)可以达到的;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性能。

图7 球墨铸铁抗拉强度与伸长率的关系

图8 球墨铸铁抗拉强度与硬度的关系

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，将提高抗拉强度和伸长率，但冲击韧性会降低。

铜、钼、镍对铁素体的作用与硅相似，铜对低温冲击韧性没有明显的负作用;当含钼量大于0.5%时，则使铁素体基体球墨铸铁的冲击韧性下降。图9示出了合金元素固溶强化对铁素体球墨铸铁性能的影响。

图9 合金元素对力学性能的影响

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而在铸态就获得所需的性能。铜、镍、钼、锡等合金元素可使球墨铸铁在铸态得到不同数量的珠光体，同时，这些合金元素还可使珠光体细化。图10表明，由于珠光体数量增多，致使球墨铸铁铸态的力学性能改变。由图可以看出，随着珠光体数量的增多，抗拉强度和硬度提高，伸长率下降。珠光体片间距的细化程度对球墨铸铁力学性能的有很大的影响，珠光体越细，则抗拉强度和硬度越高，伸长率也下降越多。

图10 珠光体量对力学性能的影响

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，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，同时抗拉强度和伸长率也下降。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、屈服极限、硬度、伸长率和冲击韧性的作用是很显著的。若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，而且最主要的增加珠光体数量并使珠光体细化，或者是得到奥铁体的基体组织。

3 结束语

铸铁不仅是古老的铸造合金，也是迄今为止用量最大、用途最广的铸造合金。随着应用领域技术的发展，对铸件特种性能的要求和对铸件轻量化的要求，也越来越高;因而，在原有基础上使用各种合金元素，达成更高的力学性能、更适宜的综合性能，将是铸铁的发展方向之一;因而，弄清合金元素对铸铁组织与性能影响的机理，是十分重要的基础工作。此文是笔者关于《合金铸铁》的系列研究连载内容之五。

微信编辑：蔡文娟

编辑审核：柳建国