（1）铸铁是现代工业中广泛使用的金属材料，不可不方便需要者或可能需要者的选用

1）当拟选用铸铁作为生产某种工件的材料时，切忌不按工件的使用要求来选用有关的铸铁品牌。铸铁是一种以铁、碳、硅为基础的复杂的多元合金，此外，还含有锰、磷、硫等元素。有时为了改善铸铁的某些性能，还可加入铜、铬、钼等合金元素，形成各种类型的合金铸铁。为便于选用，常着眼于工程结构件所需要的强度等力学性能，或着眼于其要求的耐磨、耐热、耐蚀等特种性能来选择合适的铸铁。而铸铁尽管品种繁多，但其存在也是由于有用户，有需要者，其分类也必然要方便使用者选择的要求。从我国的铸铁类别来看，以力学性能为主进行分类的有：

①灰铸铁：其特征是有不同的强度标识（抗拉强度σ_b=100～400MPa，基本上无塑性），方便选用；而且有好的减振性和铸造性能。

②球墨铸铁：其抗拉强度σ_b=400～900MPa，伸长率δ=2%～20%，冲击韧度α_K=15～120J/cm²。分别有：

a.铁素体型——有较高的韧性和塑性。

b.铁素体-珠光体型——有较高的强度和韧性。

c.珠光体型——有高的强度和耐磨性。

d.贝氏体型——有很高的强度和耐磨性。

③蠕墨铸铁：有较高的强度和导热性。其抗拉强度σ_b、伸长率δ高于灰铸铁，但低于球墨铸铁。

④可锻铸铁：其抗拉强度σ_b=300～700MPa，伸长率δ=2%～12%。分别有：

a.铁素体型——有较高的韧性和强度。

b.珠光体型——有较高的强度和耐磨性。

以特殊性能为主进行分类的有：

⑤耐磨铸铁：有：

a.白口铸铁，又可分为：（a）普通白口铸铁——抗磨，脆。（b）合金白口铸铁——抗磨，有一定强度。

b.冷硬铸铁——表层白口，内层灰口。表层也即冷硬层的硬度高，耐磨，内层强度较高。

c.机床类耐磨铸铁——含P、Cu、Mo、V、Ti或稀土等，耐磨。

d.动力机械类耐磨铸铁——含Cr、Mo或B等，耐磨。

⑥耐热铸铁：含Si、Al、Cr等，有高的耐热性及抗氧化性能，但强度较低、较脆。

⑦耐蚀铸铁：含Si、Ni、Al、Cr、Mo或稀土等，有高的耐蚀性。

2）为了便于较好选用具有不同使用性能要求的铸铁，不可不知铸铁牌号的标识。为便于设计者或用户挑选不同性能要求的铸铁，我国制订了较详尽的铸铁牌号表示方法，规定了各种铸铁名称代号，由表示该铸铁特征的汉语拼音字母的第一个大写正体字母组成，当两种铸铁代号字母相同时，在大写字母后加小写字母来区别。合金元素以其元素符号和名义含量表示（小于1%时，一般不标注），置于代号之后。此后的第一组数字表示抗拉强度值（MPa），第二组数字表示伸长率（%），见表3-1。其示例说明如下：

①球墨铸铁：例QT400—15，QT为球墨铸铁代号、400表示抗拉强度、15为伸长率（%）。

②耐蚀铸铁：例STSi15Mo4Cu，ST为耐蚀铸铁代号、Si为硅、15表示硅的名义百分含量、Mo为钼、4表示钼的名义百分含量、Cu为铜，其名义含量小于1%。

③耐磨铸铁：例MTCu1PTi—150，MT为耐磨铸铁代号、Cu为铜、1表示铜的名义百分含量、P为磷、Ti为钛、150表示抗拉强度，磷、钛的名义含量均分别小于1%。

④冷硬铸铁：例LTCrMoR，LT为冷硬铸铁代号、Cr为铬、Mo为钼、R为混合稀土元素，它们的含量均分别小于1%。

表3-1 铸铁名称、代号及牌号

（2）关于使用铁-碳双重相图的禁忌

1）为了较好掌握以铁和碳为基本组元的合金的组织与性能之间的关系，不可忽视对铁碳双重相图的了解。铁碳合金是铁和碳作为基本元素的合金，它包括碳钢和铸铁两大类，通常碳的质量分数小于2.1%的铁碳合金称为钢，大于2.1%的铁碳合金称为铸铁。钢和铸铁是现代工业中应用最广泛的金属材料。对铸铁来说，由于其所含的碳因结晶条件不同，能够以石墨或以渗碳体（Fe₃C）这样两种独立相的形式存在，因而铁碳合金存在着Fe-C（石墨）和Fe-Fe₃C两种不同结晶系统，Fe-C（石墨）系统称为稳定系统，如图3-1的虚线所示；Fe-Fe₃C系统称为亚（或“准”或“介”）稳定系统，如图3-1中的实线所示。由于两种系统表示在同一图上，故叫做双重相图。为了叙述简便，在分析铁碳合金时，将图中实用意义不大的左上角部分（液相向δ-Fe及δ-Fe向γ-Fe转变部分），以及左下角GPQ线左边部分予以省略。

图3-1 铁碳双重相图

铁碳合金相图是用试验方法建立的，它反映了在平衡条件下，铁碳合金的成分、温度与金相组织的关系，并表示出合金中相的组成、相的相对数量和相变的温度等。在Fe-Fe₃C和Fe-C（石墨）双重相图上，亦反映了在不同条件下（主要是不同过冷度条件下），铁碳合金以亚稳定状态或以稳定状态进行转化，得到的金相组织亦不相同。该相图不仅为分析钢和铸铁的性能提供了基本知识，也为对钢和铸铁进行正确加工及热处理等提供了基本依据。该相图以碳含量（%）为横坐标，纵坐标表示温度（℃）。由于碳含量大于6.69%的铁碳合金在工业上没有实用价值，因此图中仅标出碳含量小于6.69%的合金部分。相图内由线条组成一个个区域，每个区域代表一种或两种相，垂直于横坐标的直线代表金属化合物。表3-2为双重相图中各主要特性点（临界点）的温度、碳含量及其含义；表3-3则为双重相图中的各特性线的含义。可知Fe-C（石墨）相图和Fe-Fe₃C相图的主要不同处在于：

表3-2 Fe-Fe₃C和Fe-C（石墨）双重相图中的特性点

表3-3 Fe-Fe₃C和Fe-C（石墨）双重相图中的特性线

①稳定平衡的Fe-C（石墨）相图中的共晶温度和共析温度都比亚稳定平衡的高一些。共晶温度髙出6℃，共析温度高出9℃。

②稳定平衡的Fe-C（石墨）相图的共晶点C′的成分和共析点S′的成分中，其碳含量都比亚稳定平衡的低一些，分别低0.04%和0.07%；共晶线C′E′的E′点碳含量为2.10%，比E点的2.14%也是低0.04%；共析线P′S′K′的P′的碳含量（0.0206%）比P点（0.0218%）略低。

③研究钢的结晶过程、组织、性能及热处理工艺时，常用Fe-Fe₃C亚稳定系相图；研究铸铁的结晶过程、组织、性能及铸造、热处理工艺时，常用Fe-Fe₃C和Fe-C（石墨）双重相图。

至于铁碳双重相图中的组成物（见图3-1）则包括液溶体L、奥氏体γ、铁素体α、渗碳体Fe₃C、石墨G、莱氏体L_d和珠光体P。它们的各自特点是：(www.daowen.com)

①液溶体：即液相，符号L，为碳或其他元素在铁中的液溶体，存在于液相线之上。

②奥氏体：碳在γ-Fe中的间隙固溶体，即γ相，符号γ或A。由于γ-Fe为面心立方晶格，晶格间隙较大，因而溶碳能力较强。在1147℃时溶碳的质量分数可达2.14%。随温度下降，溶解度逐渐减少，在727℃的溶碳质量分数为0.76%。在铁碳合金中，奥氏体是一种在高温状态下才能稳定存在的组织（727℃以上）。高温奥氏体具有良好的塑性变形能力，是绝大多数钢种在高温时进行压力加工所要求的组织。

③铁素体：碳在α-Fe中的固溶体，常用符号α或F来表示，存在于911℃以下。由于是体心立方晶格，晶格间隙较小，因而溶碳能力很低，727℃时最大溶碳的质量分数为0.034%，近似于纯铁，具有良好的塑性和韧性，而强度、硬度较低，是一个“软而韧”的相。

④渗碳体：符号为Fe₃C，是铁与碳相互作用形成的金属化合物，其含碳量为6.69%，具有复杂的斜方晶体结构。它的硬度很高，耐磨；塑性极差，冲击韧度接近于零，脆性很大，是一个“硬而脆”的相。但当其形状和分布合适时，可提高合金的强度和耐磨性。

⑤石墨：属六方晶系点阵结构，它是碳在铸铁组织中以游离状态存在的碳，用符号G表示。铁碳合金按稳定系转化时，液相析出的为一次石墨、共晶转变时析出共晶石墨、奥氏体析出二次石墨、共析转变时析出共析石墨。石墨强度非常低，抗压强度仅20MPa左右。

⑥莱氏体：奥氏体和渗碳体的机械混合物，含碳量为4.3%，是铁碳合金按亚稳定系转化时，在冷却到1147℃时发生共晶转变的产物，用符号L_d表示。由于奥氏体在727℃时转变为珠光体，因此在室温时的莱氏体由珠光体和渗碳体组成。为了区别，将727℃以上的莱氏体，称为高温莱氏体（L_d），在727℃以下的莱氏体，称为低温莱氏体（L_d′）。其硬度很高，塑性很差，是白口铁中最基本的组织。

⑦珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物，是奥氏体在冷却过程中，在727℃恒温下进行共析转变的产物，只在727℃以下存在，常用符号P表示。根据珠光体转变时的过冷度大小，可形成正常片状珠光体、细片状珠光体（索氏体）及极细珠光体（托氏体）。还可通过热处理，使珠光体中的渗碳体粒状化而得到粒状珠光体。珠光体的机械性能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度较高，有一定的塑性。

2）使用铁碳双重相图研究铸铁凝固结晶及固态相变时不可忽视处：

①亚共晶铸铁按稳定系凝固结晶，其过程及所得组织不可能全同于按亚稳定系的凝固结晶。根据铸铁在铁碳相图上位置的不同，即它的碳含量的不同，可分为亚共晶铸铁、共晶铸铁和过共晶铸铁。如铸铁的碳含量（质量分数）＜4.26%，为亚共晶铸铁；碳含量=4.26%，为共晶铸铁；碳含量＞4.26%，为过共晶铸铁。对亚共晶铸铁按亚稳定系结晶与按稳定系结晶相比，其相同之处是都是由液相要经过共晶转变和共析转变，其不同点是共晶、共析转变时的温度和碳含量均有所不同，碳在铁中的存在形态也不相同，因而得到的组织及性能有非常明显的差别。其中，亚共晶铸铁按亚稳定系结晶的过程及其组织以图3-2所示的合金Ⅰ为例，该合金冷却到AC线上的1点时，液态合金开始结晶出奥氏体，称为初生奥氏体。继续冷却在1～2点间，初生奥氏体量不断增加，而剩余液相相应减少，合金由液溶体和初生奥氏体组成。当冷却到1147℃（2点）时，剩余合金液中碳含量达4.30%（C点）将发生共晶转变，转变为高温莱氏体L_d，这时合金由初生奥氏体和高温莱氏体组成。继续冷却时，奥氏体碳含量沿ES线变化，先结晶出来的初生奥氏体和莱氏体中的奥氏体都要析出二次渗碳体。合金在2～3点间，组织由奥氏体、二次渗碳体和莱氏体组成。温度降到727℃（3点）时，奥氏体的成分到达S点发生共析转变，生成珠光体、共析渗碳体。继续冷却，合金组织不再发生变化，其室温组织由珠光体、二次渗碳体、共析渗碳体和低温莱氏体组成。通常把初生奥氏体的析出和以后的共晶转变称为铸铁的一次结晶；而把凝固后进行的碳自奥氏体中的脱溶、共析转变称为二次结晶。而亚共晶铸铁Ⅰ按稳定系结晶时，冷却到AC线上的1点到1153℃（E′C′F′共晶线）之间，合金也是由初生奥氏体和液溶体组成（见图3-2）。当冷却到1153℃时，液相成分到达C′点（共晶点，C=4.26%）将发生共晶转变，生成共晶石墨（见图3-1）。继续冷却时，奥氏体中的碳含量将沿E′S′线减小，以二次石墨的形式析出。合金在1153℃至738℃之间，组织由奥氏体、二次石墨和共晶石墨组成。温度降至736℃时，奥氏体的成分到达S′点（共析点，C=0.68%）发生共析转变，生成铁素体和共析石墨（或渗碳体）。即亚共晶铸铁Ⅰ按稳定系结晶的常温组织为铁素体和石墨两相组成。其中石墨有共晶石墨、二次石墨、共析石墨。

图3-2 亚共晶铸铁按亚稳定系结晶过程组织转变示意图

L—铁液 A—奥氏体 L_d—高温莱氏体 Fe₃CⅡ—二次渗碳体P—珠光体 L_d′—低温莱氏体

②过共晶铸铁按亚稳定系凝固结晶，其过程及所得组织也不可能全同于按稳定系的凝固结晶。过共晶铸铁按亚稳定系结晶，其过程及所得组织以图3-3所示的合金Ⅱ为例，也非常类似亚共晶成分的铸铁，只不过在其一次结晶阶段中没有初生奥氏体的析出过程，而是多了初生（一次）渗碳体的结晶过程而已。也即该合金冷却到CD线上的1点时，液态合金开始结晶出一次渗碳体Fe₃C₁。随着温度下降，一次渗碳体不断增多，剩余液溶体相应减少，此时的合金由液溶体和一次渗碳体组成。冷却到1147℃（2点）时，剩余液溶体中碳含量达到4.30%（C点），在此温度发生共晶转变，生成高温莱氏体（共晶奥氏体+共晶渗碳体Fe₃C_共晶）。继续冷却时，高温莱氏体的奥氏体析出其过饱和的二次渗碳体，到达727℃共析转变时，奥氏体转变为珠光体（铁素体+共析渗碳体）。生成的低温莱氏体是由珠光体和渗碳体组成的。因此，过共晶白口铸铁在727℃以下的组织是由珠光体、低温莱氏体和一次渗碳体、二次渗碳体组成。如果合金Ⅱ按稳定系凝固结晶，则该合金冷却到CD线上的1点时（见图3-3），液态合金开始结晶出一次石墨G₁（见图3-1）或称初生石墨。由于结晶时的温度较高，成长的时间较长，又是在铁液中自由地长大，因而常常长成分枝较少的粗大片状（这便是石墨分类标准中的C型石墨）。随着温度下降，一次石墨不断增多，液溶体中的碳含量逐渐降低。冷却到1153℃时，液溶体成分到达C′点（共晶点，C=4.26%）发生共晶转变，生成奥氏体和共晶石墨。继续冷却时，奥氏体析出二次石墨，其碳含量不断降低，到达共析温度736℃，将产生铁素体和共析石墨（或共析渗碳体），最后的组织为铁素体和石墨（一次石墨、共晶石墨、二次石墨、共析石墨）。

图3-3 过共晶铸铁按亚稳定系结晶过程组织转变示意图

L—铁液 Fe₃CⅠ—^一次渗碳体 L_d—高温莱氏体 L_d′—低温莱氏体 Fe₃CⅡ—二次渗碳体

③共晶铸铁按亚稳定系凝固结晶，其所得组织将不同于按稳定系凝固结晶的组织。共晶铸铁按亚稳定系凝固结晶其在相图上的位置如图3-4所示的合金Ⅲ。该合金的碳含量为4.3%，得到的将是白口铸铁。当该合金从高温冷却至1147℃（C点）时发生共晶转变，生成莱氏体（共晶奥氏体+共晶渗碳体）。继续冷却时，莱氏体中的奥氏体将析出二次渗碳体。冷却至727℃（2点）时，莱氏体中的奥氏体发生共析转变，生成珠光体（铁素体+共析渗碳体）。共晶白口铸铁在727℃以下的组织由珠光体、二次渗碳体及共晶渗碳体组成，称为低温莱氏体，它保留了高温共晶转变产物的形态，二次渗碳体吸附在共晶渗碳体上，不易辨认。共晶铸铁Ⅲ按稳定系凝固结晶（见图3-4），所得组织将是灰铸铁。该合金从高温冷却至1153℃（C′点）时（见图3-1）发生共晶转变，生成共晶奥氏体和共晶石墨；继续冷却，奥氏体析出二次石墨；到达736℃（S′点），发生共析转变，生成铁素体和共析石墨（或共析渗碳体），其在室温的组织为铁素体和石墨（包括共晶石墨、二次石墨、共析石墨）。

图3-4 共晶铸铁按亚稳定系结晶过程组织转变示意图

3）有关碳当量及共晶度的禁忌：

①铸铁的碳含量不得等同于碳当量。铸铁中除碳以外，还有其他一些元素，如硅、锰、磷、硫等。这些元素的存在，会对共晶点实际碳量产生影响（参见表3-4），例如硅是促进铸铁石墨化和使基体铁素体化的元素，它的存在可降低共晶转变、共析转变和饱和奥氏体中的碳量；硫是强烈反石墨化的元素，锰略为增大铸铁形成白口的倾向，但硫和锰形成高熔点的MnS或（Fe、Mn）S等硫化物，不仅无阻碍石墨化的作用，而且可作为石墨化的非自发晶核促使石墨的形成，因此锰和硫的反石墨化作用只有在它们的含量超过一定数值时才能显示出来；磷使铸铁的共晶点左移，促使共晶转变的石墨化，其作用程度和硅相似，故计算碳当量时，应计入磷的含量，但它阻碍共析转变的石墨化（促使珠光体的形成）。将这些元素的量折算成对碳量的增减，这样算得的碳量叫做“碳当量”，用w_CE%表示，计算公式为（质量分数）

w_CE%=w（C）%+（1/3）w（Si+P）%+0.4w（S）%-0.03w（Mn）%一般铸铁中硫很低，而锰的影响又较小，为简化计算，只考虑硅、磷的影响，因而

w_CE%=w（C）%+（1/3）w（Si+P）%

式中 w（C）%、w（Si）%、w（P）%、w（S）%、w（Mn）%——铸铁中C、Si、P、S、Mn的质量分数（%）。

从上式可知，碳当量是根据铸铁中铁、碳以外其他化学成分对铁碳相图临界点的位置及组织的影响而得出的，将此值与C′点w（C）=4.26%相比，即可判断某一具体成分的铸铁偏离共晶点的程度，如w_CE＞4.26%为过共晶成分；w_CE＜4.26%为亚共晶成分；w_CE=4.26%则为共晶成分。例如：某铸铁成分为：C、Si、Mn、P、S的质量分数分别为3.4%、2.0%、0.7%、0.18%、0.10%，则其碳当量w_CE%按简化式计算，为w_CE%=3.4%+（1/3）（2.0%+0.18%）=3.4%+0.727%≈4.13%小于4.26%，因此是亚共晶铸铁。这些表明铸铁的碳含量不等同于碳当量，在有其他化学成分时，必须换算成碳当量才可利用铁碳相图来指导工作。

表3-4 铸铁常有的一些元素对铁碳相图的影响

注：1.“+”代表增加、提高、促进；“-”代表降低、阻碍。

2.数字代表加入质量分数为1%的合金时的波动值。

②不可忽视铸铁偏离共晶点的方向和程度也可以用共晶度S_C表示。铸铁偏离共晶点的方向和程度除了可以用碳当量表示外，还可以用铸铁碳含量与共晶点实际碳量的比值来表示，这个比值称为“共晶度”，以S_C表示。如S_C＜1，为亚共晶成分铸铁；如S_C=1为共晶成分铸铁；如S_C＞1；则为过共晶成分铸铁。S_C的计算公式为

S_C=w（C）%/w（C）C′%=[w（C）%]/[4.26%-（1/3）w（Si+P）%]

式中 w（C）%——铸铁中碳的质量分数（%）；

w（C）C′%——铸铁共晶点（稳定态）实际碳的质量分数（%），为4.26%，在生产中为简化计算，此值常采用4.3%；

w（Si+P）%——铸铁中硅和磷的质量分数（%）。

如上述①中所举铸铁例题的共晶度为

S_C=[3.4%]/[4.26%-（1/3）（2.0+0.18）%]=0.96

S_C小于1，所以是亚共晶成分铸铁。

碳当量的高低和共晶度的大小，除可衡量铸铁偏离共晶点的程度对凝固过程的影响外，还能间接地推断出铸造性能的好坏以及石墨化能力的大小，因此，是一个十分重要的参数。

4）在铸造生产实际中，用相同化学成分的铁液，拟获得薄壁灰铸铁件，如果采用有砂型、金属型，用金属型的，通常得到的薄壁铸件几乎不可能是灰铸铁。在铸造生产实际中，经常会碰到这样的问题：用相同化学成分的铁液，浇入冷却速度不同的铸型时，往往会在冷却速度慢的铸型中得到的是灰铸铁，而在冷却速度特快的铸型中得到的往往是具有白口断面的白口铸铁件；甚至同一铸件，同一铸型浇注，如果该铸件壁厚薄相差悬殊，有时其厚断面处为灰铸铁，薄壁处为白口铸铁。究其原因，可从铁碳双重相图（见图3-1）中得知，是由于冷却速度不同而导致的共晶凝固温度的高、低不同所致。如在特性点C′以下，C以上凝固时，一般可得灰铸铁，如过冷至C以下凝固时，则有可能进行奥氏体加渗碳体的结晶，就会形成白口断面。