[科普中国]-亚共晶铸铁

亚共晶铸铁是指在铁碳相图中，在共析转变温度以上，在特定的碳含量时所析出来的固相晶体；而奥氏体是亚共晶铸铁的初生相，普通灰口铸铁的奥氏体只在共析转变温度以上存在，室温下看到的铁素体和珠光体都是奥氏体的固态相变产物。1

亚共晶结晶奥氏体是亚共晶铸铁的初生相，普通灰口铸铁的奥氏体只在共析转变温度以上存在，室温下看到的铁素体和珠光体都是奥氏体的固态相变产物。

当亚共晶铁水冷却到液相线以下时即变成过饱和溶液，奥氏体开始从熔体中析出，随着温度下降，和奥氏体平衡的铁水含碳量沿液相线变化，碳浓度随温度下降而上升，与此同时已结晶的奥氏体含碳量沿固相线变化，随温度下降也上升，至共晶平衡温度时，奥氏体最大溶解度为2.11%的碳，铁水含碳量为4.26%。在凝固过程申L/γ界面上不断发生铁、碳原子的迁移，碳原子从奥氏体一侧向熔体方向扩散，铁原子则从熔体一侧向奥氏体方向扩散，铁、碳原子作相反方向的扩散运动。熔体中的其它元素也在凝固过程中发生扩散运动，例如Si、Ni、Al、Cu、Co等元素倾向于向奥氏体枝干上富集，称为反偏析元素，而C、Mn、Cr、W、Mo、V、P则倾向于在奥氏体的结晶前沿和共晶团的边界上富集，称为正偏析元素。杂质元素的这种偏析导致成分过冷是奥氏体发生分枝(见图所示)的主要原因。在初生奥氏体生长过程中Bi、Pb、Sn等微量元素的显微偏析格外引入注目，它们在凝固后期剩余约10%的熔体中的浓度甚至比平均值高几倍。起初奥氏体枝晶间偏析为共晶体生长创造有利条件，但在凝固后期微量元素的偏析可能足以改变石墨形态或导致形成晶间碳化物。1

亚共晶凝固稳定系和介稳定系亚共晶铸铁的凝固过程可用下图表示。凝固初期初生奥氏体都首先从熔体中析出，温度降到共晶温度以下时，稳定系共晶体为石墨/奥氏体介稳定系共晶体为碳化物/奥氏体，至共晶温度以下前者转变为石墨+珠光体(或铁素体)，后者转变为莱氏体+珠光体。1

共析转变共析转变就是指共析奥氏体(As)的转变。铸铁的共析转变按次稳定系进行时，形成珠光体，其过程和碳钢的共析转变是相同的，但是，若按稳定系转变时，情况就不相同了。在铸铁中，共析奥氏体在通过共析转变温度时依冷却速度的大小，可以有三种转变：

1、 As→P+（G）

2、 As→P+F+（G）

3、 As→F+G

第一种是在冷却速度较大时，转变按次稳定系进行，形成珠光体基体组织。式中，括号内石墨是指共析转变前组织中巳形成的石墨（共晶石墨及二次石墨等）。这一转变过程如果在更大的冶速下进行，即奥氏体在高度过冶情况下转变时，也可以形成贝氏体直至马氏体等组织，情况和钢的共析转变完全一样。

第三种是在冷却速度缓慢的情况下，转变按稳定系进行的结果。转变后的基体组织是铁索体，共析石墨往往就在原有的石墨（共晶石墨或：二次石墨）基地上成长，因此共析石墨形成不需要生核过程，也就没有孕育期。由于和共晶石墨连在一起，从组织上乜区分不出来。

第二种是一种过渡性的组织转变，基体组织中既有珠光体又有铁索体，两者的相对数量（用%表示）也依冷却速度而定。2

铸铁在相图位置铁碳合金按其在铁碳相图中的位置不同，即碳的质量分数不同，分为两大类：钢和白口铸铁。

（1）碳的质量分数小于2.11%的铁碳合金叫钢。根据碳的质量分数和室温组织，钢分为以下三种：

1）亚共析钢，其碳的质量分数小于0.77%。，

2）共析钢，其碳的质量分数等于0.77%。

3）过共析钢，其碳的质量分数大于0.77%。

（2）碳的质量分数为2.11%~6.69%的铁碳合金叫白口铸铁。根据碳含量和室温组织，白口铸铁分为以下三种：

1）亚共晶白口铸铁，其碳的质量分数小于4.3%。

2）共晶白口铸铁，其碳的质境分数等于4.3%。

3）过共晶白口铸铁，其碳的质量分数大于4.3%。3

举例有一铸铁件化学成分(质量分数，%)为：C 3.8、Si 2.1、Mn 0.4、P 0.05、S 0.03。试判断此铸铁是属于亚共晶铸铁，还是属于过共晶铸铁?

用碳当量来判断：将铸铁件化学成分（C、Si、P），代入碳当量计算公式，并计算如下：

ω（CE）=ω（C）+ω（Si+P）/3=3.8%+(2.1+0.05)%/3=4.52%

铸铁共晶点（稳定态）碳的实际质量分数为4.26%（在生产中，为简化计算，此值又常采用4.3%）。因碳当量ω（CE）=4.52%〉4.26%，故此铸铁属于过共晶成分铸铁。3

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所