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铸铁是碳含量大于2.1%的铁碳合金。其成分除碳外还含有一定数量的硅、锰、硫、磷等化学元素和一些杂质。有时还加一些其他化学元素。铸铁又名生铁,是冶金厂的重要初级产品,大部分用于炼钢,另一部分供给机器制造厂生产铸铁件,作为二次重熔的主要炉料。铸铁成本低廉,铸造性能和使用性能良好,故铸铁是现代机器制造业的重要和常用的结构材料。其重量一般占机器总重量的60%~70%。
①灰口铸铁。含碳量较高(2.7%~4.0%),碳主要以片状石墨形态存在,断口呈灰色,简称灰铁。熔点低(1145~1250℃),凝固时收缩量小,抗压强度和硬度接近碳素钢,减震性好。用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。
②白口铸铁。碳、硅含量较低,碳主要以渗碳
体形态存在,断口呈银白色。凝固时收缩大,易产生缩孔、裂纹。硬度高,脆性大,不能承受冲击载荷。多用作可锻铸铁的坯件和制作耐磨损的零部件。
③可锻铸铁。由白口铸铁退火处理后获得,石墨呈团絮状分布,简称韧铁。其组织性能均匀,耐磨损,有良好的塑性和韧性。用于制造形状复杂、能承受强动载荷的零件。
④球墨铸铁。将灰口铸铁铁水经球化处理后获得,析出的石墨呈球状,简称球铁。比普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等。
⑤蠕墨铸铁。将灰口铸铁铁水经蠕化处理后获得,析出的石墨呈蠕虫状。力学性能与球墨铸铁相近,铸造性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间。用于制造汽车的零部件。
⑥合金铸铁。普通铸铁加入适量合金元素(如硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、锡等)获得。合金元素使铸铁的基体组织发生变化,从而具有相应的耐热、耐磨、耐蚀、耐低温或无磁等特性。用于制造矿山、化工机械和仪器、仪表等的零部件。
铸铁中含有强度和硬度都很低的石墨。石墨破坏了材料的连续性和整体性,使其断裂和变形的性质不同于钢,并导致力学性能出现一些特有变化规律。
铸铁力学性能受到一系列因素的影响。*显著的影响是石墨的形态、数量和分布状态,其他组成相的类型、化学成分、分布状态以及铸件成形和处理过程也有一定影响。本章将从铸铁断裂特征及机制开始讨论各项力学性能及其影响因素,内容侧重常温及低温力学性能。
1灰铸铁的断裂
材料在外力作用下产生的应力超过自身断裂强度后发生断裂。断裂是机械零件失效的重要因素之一。
材料断裂过程比较复杂。但是总体上看,都要经历内部裂口萌主(裂口形核)、裂口扩展、断裂三个阶段。断裂前不发生明显塑拦王形的断裂属于脆性断裂。在正应力作用下,脆性断裂是材料原子间结合力*弱的晶体学平面(解埋面)分离而形成的断裂,也称解瑚断裂。出现明显塑性变形后发生的断裂称为延性断裂。廷生断裂是在切应力作用下沿滑移面发生滑移而导致的断裂,也称剪切断裂。
亏关脆性断裂的裂口形核机制,位错塞积理论认为,材料受力后运动位错受到晶界和杂质相阻挡产生位错塞积。塞积群所构成回应中集中超过材料强度时,塞积群前端萌牛裂u,脆性断裂前裂口以极决速度扩展。根据应力关系分析,材料屈服应力同时大于口形核应力和断裂应力时,一旦有裂口萌生,将在无塑变情况下断裂 。
下面以拉伸断裂为例说明铸铁断裂过程。实验观察证实,灰铸铁拉伸断裂开始于石墨片断裂。石墨内部存在许多晶体缺陷,如旋转晶界、刃型位错与螺位错、孪晶界、小角度倾斜晶界等。低应力下,石墨可能沿旋转晶界撕裂成小段,也可能因孪晶或倾斜晶界上的位错塞积而沿六方晶格的(0001)面滑移导致劈裂。大多数微裂口发生于孪晶界,可认为孪晶界位错塞积应力是裂口产生的主要根源。
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