3.1　力學性能

3.1.1　拉伸性能

圖3-1顯示鋼、球墨鑄鐵、灰鑄鐵受到拉伸時顯示的拉伸應力-應變曲線。鋼和球墨鑄鐵試樣在一定應力范圍內，應力和應變均按比例增加，兩者呈直線關系。材料變形具有彈性性質。當應力達到比例極限，即發生彈性變形范圍內所能承受的最大應力時，繼續增加應力才開始出現塑性變形，顯示應力-應變關系的直線將變為曲線,出現屈服現象。屈服現象出現使應力-應變之比減小。此時增加少量外力，將會產生較大永久變形。而含有片狀石墨的灰鑄鐵，拉伸應力很低時就會發生塑性變形，因此應力-應變曲線幾乎沒有直線段和屈服點。

1—低碳鋼；2—珠光體球墨鑄鐵；3—鐵素體球墨鑄鐵；4—無磁性奧氏體球墨鑄鐵；5—耐蝕奧氏體球墨鑄鐵；6—灰鑄鐵

珠光體球墨鑄鐵拉伸強度和比例極限高于鐵素體球墨鑄鐵。拉伸時不出現明顯屈服點，斷裂前試樣基本上沿全長出現均勻變形，無縮頸，斷裂伸長率較低。鐵素體球墨鑄鐵屈服現象出現較早。斷裂前有縮頸發生，斷裂后保留部分塑性變形。屈服強度和拉伸強度均低于珠光體球墨鑄鐵。

3.1.2　球墨鑄鐵的拉伸斷裂

球墨鑄鐵中的球狀石墨晶體內存在許多晶體缺陷，主要缺陷是小角度傾斜晶界。這種晶界是可移動的，移動時很少受到限制。當球墨鑄鐵承受的外力超過彈性極限時，球狀石墨發生的可察覺變形顯著增加。通常是使球體沿拉力方向伸長，側向收縮（圖3-2）。

如果球狀石墨被鐵素體包圍，鐵素體晶粒發生晶內滑移繼而出現塑性變形。晶粒也是沿拉伸方向伸長，側向收縮。鐵素體晶粒的變形量分布并不均勻，接近球狀石墨的鐵素體晶粒變形量大于距石墨球較遠的晶粒變形量。這種變形狀況，促使相鄰石墨球互相接近，甚至互相連接。由于金屬晶粒與石墨的變形率不同，在伸長方向的金屬與石墨之間形成應力集中區，金屬在該處出現縮頸現象并產生細微孔隙。

實驗證實，鐵素體球墨鑄鐵承受外加應力后的斷裂出現在兩種情況：一是在剪切應力作用下，縮頸區產生的細微孔隙發展成為裂紋；二是相連接的石墨球互相接近，最終連成一體，相當于形成較大的裂紋（圖3-3）[1]。這兩種裂紋擴展都能導致斷裂。第一種情況萌生在石墨-鐵素體界面上，擴展的所需能量較少，縮頸區裂紋擴展比較容易。第二種情況容易發生在石墨球呈線狀排列的球墨鑄鐵中。

石墨球均勻分布情況下，球數增多、間距減小并不意味著鐵素體球墨鑄鐵拉伸強度必然降低。這是因為含有較多石墨球的鐵素體基體吸收塑性變形能量的能力增強，可以抵消球間距減少所帶來的不利影響。

在珠光體與鐵素體混合基體組織中，通常是在兩種組織的界面上萌生裂紋。由于兩種組織的塑性變形抗力不同，界面處存在較大的剪切應力。珠光體的塑性變形量較小，難以使塑變區出現的應力得到恢復，因此，界面上的裂紋將在珠光體的層片間擴展。這種裂紋的擴展端既能穿過單個珠光體晶粒，也能沿珠光體團邊界前進。

珠光體組織內含有層狀碳化物，其裂紋在層片間以剪切方式擴展。在正應力作用下，金屬晶體沿某些特定晶面分離而發生斷裂。這種斷裂屬于解理斷裂。這些晶面稱為解理晶面。體心立方晶體中的（100）晶面和密排六方的（0001）晶面是最常見的解理晶面。球墨鑄鐵發生解理斷裂之前沒有明顯的塑性變形。圖3-4顯示在一個珠光體團內裂紋擴展的方向大體上是平行的，能說明裂紋是在珠光體晶粒的層片間沿層片擴展方向擴展的。裂紋的擴展速度主要與珠光體的抗剪切能力有關。解理斷裂所需要的變形能量和斷裂能量都比較高。因此珠光體球墨鑄鐵比例極限、屈服強度、拉伸強度都大于鐵素體球墨鑄鐵[2]。

珠光體球墨鑄鐵宏觀斷口比較平整，有銀灰色金屬光澤。由于存在石墨，斷口光澤和細密程度不如鑄鋼，在顯微鏡下可以清楚地看到珠光體解理斷裂特征。鐵素體球墨鑄鐵的斷口比較粗糙，斷面呈暗灰色，沒有明顯金屬光澤，屬于韌窩斷口。

含有共晶碳化物和晶間碳化物的球墨鑄鐵，其裂紋萌生和擴展的過程與前兩種方式不同。在拉伸試樣的縱斷面上觀察，共晶碳化物與珠光體之間存在很薄的析出物，析出物可能是固態相變時碳化物分解產生的石墨薄膜。裂紋萌生在這些析出物上。這里存在偏析、夾雜物等，比較薄弱。此處裂紋優先沿晶界以類似解理方式擴展，擴展速度很快。

圖3-5顯示含有晶間碳化物的基體中裂紋萌生于碳化物，并在碳化物內擴展的情況。裂紋在碳化物中擴展速度很快，但是到達與碳化物相鄰的鐵素體界面時遇到阻力（裂紋在鐵素體內擴展需要較大的能量），擴展速度減緩或停止。直到外加應力增加到一定程度，裂紋才繼續擴展。由此可見，鐵素體球墨鑄鐵中存在晶間碳化物對鑄件力學性能是不利的。

3.1.3　球墨鑄鐵的拉伸強度

表3-1列出我國國家標準（GB/T1348—2009）中球墨鑄鐵主要室溫力學性能指標。

注：字母L表示該牌號有低溫（-20℃或-40℃）沖擊性能要求；字母R表示該牌號有室溫沖擊性能要求。

球墨鑄鐵的基體組織和球狀石墨都對鑄件力學性能產生影響。球墨鑄鐵中幾種基體組織的拉伸強度以等溫淬火產生的高碳奧氏體+針狀鐵素體組織為最高，其次為回火馬氏體、珠光體、鐵素體、奧氏體。具有各種基體組織的球墨鑄鐵拉伸強度和伸長率列于表3-2。含有較高拉伸強度基體的球墨鑄鐵一般來說都有較高的強度。同一類型基體可因組織狀態不同而具有不同拉伸強度。珠光體組織的層間距決定其強度水平，組織越細密強度越高。

球墨鑄鐵最小拉伸強度和相應的最小伸長率構成一條拉伸性能基線，按英制單位數據可將美國標準中5種牌號的球墨鑄鐵屈服強度與伸長率的關系繪成圖3-6所示的曲線。曲線上的5個點分別表示120-90-02（淬火+回火）、100-70-03（全珠光體）、80-55-06（20%鐵素體）、65-45-12（15%珠光體）、60-40-18（全鐵素體）5種牌號的球墨鑄鐵力學性能。強度與塑性的相關方程為：

最小拉伸強度=36.8+126（%，最小伸長率）-0.61

球墨鑄鐵拉伸性能數據一般應在曲線之上。

拉伸性能曲線受鑄件化學成分、熱處理制度、鑄件壁厚、加工硬化、石墨球數和石墨球化率等諸多因素的影響。

鑄件化學成分是影響球墨鑄鐵拉伸強度的重要因素。常存元素中碳、硅、錳都有顯著影響。適宜的碳當量和硅碳比都能提高球墨鑄鐵拉伸性能。本書將在各有關章節中進一步討論這方面問題。

添加合金元素是改善球墨鑄鐵力學性能的有效技術手段。合金元素種類很多，其中很多都有改善力學性能的效能。

球墨鑄鐵拉伸性能對鑄件冷卻速度比較敏感。冷卻速度較高時珠光體組織細化，拉伸性能較高。較薄鑄件冷速較高，可以提高鑄態拉伸強度。但過薄斷面內可能出現碳化物。因此檢測拉伸強度的試棒必須從與鑄件斷面尺寸相適應的部位切取。

熱處理能夠改善球墨鑄鐵拉伸性能。我們可以按鑄件使用要求調整熱處理規范而獲得所需拉伸強度，效果十分明顯。具有最高拉伸性能的高碳奧氏體+針狀鐵素體球墨鑄鐵就是通過等溫淬火獲得的，其拉伸強度已經超過1200MPa。

在超過屈服強度的應力作用下，材料塑性變形產生的加工硬化現象能使應力-應變比發生變化。每次施加的外力卸載后，試棒都出現一定的塑變并發生形變硬化作用，拉伸強度隨反復加載次數增加而提高。強度較高的球墨鑄鐵受力產生的較低滑移量也能產生較高的硬化效應。在相同的變形量下，其屈服強度的提高比較明顯。

球狀石墨對力學性能影響主要因素是石墨球數和石墨球化率。石墨球數直接影響石墨球平均直徑和間距。球數多則球間距減小，促進生成鐵素體基體。

球化率對球墨鑄鐵拉伸強度和伸長率有一定影響。圖3-7顯示退火鐵素體球墨鑄鐵的球化率與拉伸強度和伸長率的關系。可見伸長率和拉伸強度都有隨球化率上升而提高。

3.1.4　硬度

非合金球墨鑄鐵硬度值對拉伸強度、屈服強度和伸長率的影響如圖3-8所示。對多組不同試樣測定結果表明：試樣硬度與屈服強度兩者存在較近似的比例關系。但是，試樣的化學成分（特別是含硅量），石墨球數、基體組織狀態等因素都使這種關系發生一些變化。

球墨鑄鐵的硬度取決于基體硬度。具有各種基體組織的球墨鑄鐵硬度如表3-3所示。

硅對鐵素體有固溶強化作用，能提高鐵素體的硬度。硅對鐵素體球墨鑄鐵硬度的影響如圖3-9所示。

鎳、鉬、銅等能夠強化和細化珠光體的合金元素，都能提高珠光體球墨鑄鐵的硬度。

熱處理對改變球墨鑄鐵的硬度也非常有效。但由于球狀石墨的存在，球墨鑄鐵淬火組織的宏觀硬度比基體組織的淬火硬度略低一些。例如，淬火馬氏體基體顯微硬度為63～65（HRC），而經過淬火的球墨鑄鐵宏觀硬度約為55～60（HRC）（根據鑄件成分和厚度而不同）。

鑄件硬度隨溫度變化而改變的情況如圖3-10所示。圖中四條曲線代表化學成分不同的球墨鑄鐵。但是硬度變化的趨勢基本相同。420℃以前，溫度對鑄件硬度的影響較小。溫度達到540℃后，共析組織開始球化。繼續升溫到650℃左右珠光體分解。因此鑄件硬度隨溫度升高而不斷降低。鑄件中的硅和鎳都有提高高溫硬度的作用。

3.1.5　彈性模量

當金屬承受外力時發生變形，外力撤去后變形隨即消失，這種性質稱為金屬的彈性。所發生的變形稱為彈性變形。發生彈性變形時的應力與應變量呈直線關系，遵循虎克定律。該直線的斜率（應力與應變量的比值）被稱為該金屬的彈性模量。彈性模量反映金屬在彈性范圍內抵抗外力作用下發生變形的能力。

基體組織性質及球狀石墨能夠影響球墨鑄鐵彈性模量。珠光體球墨鑄鐵正彈性模量高于鐵素體球墨鑄鐵。在球墨鑄鐵中加入提高珠光體體積分數的元素能夠提高材料的彈性模量。

減少球狀石墨數量和體積分數都能提高彈性模量。

提高球化率能提高球墨鑄鐵彈性模量。如果組織中出現蠕蟲石墨、碎塊石墨或其他畸形石墨都會降低球墨鑄鐵彈性模量。圖3-11顯示球化率對彈性模量的影響[3]。

反復應變可導致材料強化，有助于提高材料彈性模量。材料本身溫度較高時，彈性模量降低。

表3-4列出幾種鑄鐵與45鋼彈性模量的比值。由于球墨鑄鐵中有石墨存在，它的彈性模量低于正火45鋼。

3.1.6　扭轉、剪切、彎曲強度

扭轉試驗測得的球墨鑄鐵扭轉強度、剪切強度都約為拉伸強度的90%。強度較高和韌性較低時差別更大。剪切屈服強度和比例極限值約為拉伸強度值的75%。

珠光體球墨鑄鐵扭轉強度與拉伸強度接近。但它的扭轉屈服強度比拉伸屈服強度低。兩者相比約為0.70～0.77。鐵素體球墨鑄鐵的這個比值略高一些。球墨鑄鐵承受扭力時具有較高的塑性，最大扭轉角為灰鑄鐵的數倍。

珠光體球墨鑄鐵的抗彎強度極限大于1200MPa，與拉伸強度極限之比為1.4～1.5。

3.1.7　壓縮強度

球墨鑄鐵壓縮屈服強度比拉伸屈服強度高10%～20%。鐵素體球墨鑄鐵壓縮彈性極限應力比拉伸彈性極限應力高約20MPa。這是因為球狀石墨的應力集中作用對材料拉伸時應力場的影響更為顯著。

球墨鑄鐵在塑性變形區的應力-應變曲線因基體組織不同而有差別。變形抗力較大的珠光體球墨鑄鐵比鐵素體球墨鑄鐵的曲線陡。無論變形產生于拉伸狀態或壓縮狀態，情況都是類似的。

3.1.8　沖擊韌度

沖擊韌度反映材料在沖擊載荷作用下發生斷裂所能吸收的能量，也反映快速形變條件下，材料抵抗裂紋萌生、擴展和斷裂的能力。

球墨鑄鐵的沖擊吸收功與基體組織類型、鑄件化學成分、球化率、石墨球數、熱處理工藝、試樣有無缺口等因素有關。

鐵素體球墨鑄鐵的無缺口試樣沖擊韌度優于珠光體球墨鑄鐵。鐵素體-珠光體混合基體組織的沖擊韌度隨珠光體含量增加而降低。各種基體的球墨鑄鐵無缺口試樣常溫沖擊韌度列于表3-5。

圖3-12顯示基體類型和試驗溫度對V形缺口球墨鑄鐵試樣沖擊吸收功的影響。反映出鐵素體球墨鑄鐵韌-脆性轉變溫度最低，沖擊吸收功最大。珠光體含量對球墨鑄鐵韌-脆性轉變溫度影響很顯著，含量增加則轉變溫度提高。35%珠光體基體球墨鑄鐵轉變溫度一般是在室溫以上。低溫下基體組織的影響不太明顯，但在室溫下趨于明顯，尤其鐵素體球墨鑄鐵沖擊吸收功對溫度更為敏感。

鑄件化學成分中，硅和磷對沖擊韌度影響比較顯著。硅含量增加對鐵素體球墨鑄鐵V形缺口試樣沖擊吸收功和韌-脆轉變溫度的影響分別示于圖3-13及圖3-14。硅含量增加，韌-脆性轉變溫度提高。ω（Si）≈4%的球墨鑄鐵可用于耐熱和耐蝕件，基體為鐵素體，但室溫脆性較大，在承受沖擊載荷的工況條件下使用的鑄件需要添加鉬。

磷量較高的球墨鑄鐵含有二元或三元磷共晶，這種高磷化合物在沖擊作用下會成為裂紋萌生和擴展的優先位置，削弱球墨鑄鐵抗沖擊能力。ω（P）>0.05%時，沖擊韌性開始下降，超過0.08%時，下降就比較顯著了。

鑄件含碳量較高時，石墨球體積分數大，數量多，直徑較大。受沖擊時產生裂紋和裂紋擴展的塑性變形量較少，從而減少沖擊吸收功。

大多數工程構件受沖擊產生的斷裂與一次沖擊試樣的斷裂方式明顯不同。工程構件斷裂通常是小能量多次沖擊導致裂紋形核和擴展的結果，這是一個損傷積累的過程。一次沖擊斷裂和多次沖擊斷裂的機制和主導因素不同。多次沖擊抗力主要取決于材料強度和塑性的綜合性能。除了強度影響外，材料斷裂時所能吸收的塑性功也是抗斷裂能力的主要因素。圖3-15顯示45號鋼（曲線1）、鐵素體球墨鑄鐵（曲線2）、石墨球粗大的混合基體球墨鑄鐵（曲線3）的沖擊功與臨界沖擊次數曲線（A-N曲線）。

1—45號鋼；2—石墨球細小；3—石墨球粗大

沖擊能量較高時，球墨鑄鐵多次沖擊抗力比45號鋼差，沖擊能量較低時，球墨鑄鐵多次沖擊抗力接近或超過45號鋼。一般工程構件大部分是承受多次沖擊，說明球墨鑄鐵件在較低沖擊載荷作用下有一定的安全可靠性。

珠光體球墨鑄鐵的沖擊韌度低于中碳鋼，影響小能量多次沖擊韌度的各種因素都與材料所承受的沖擊能量有關。沖擊能量較大時，多次沖擊韌度受材料的塑性影響較大，凡能提高塑性的因素（鐵素體基體、含硅量較低、石墨球細小均勻）都能提高多次沖擊韌度，沖擊能量較小時，材料強度是影響多次沖擊韌度的主要因素。提高強度則多次沖擊韌性提高。珠光體球墨鑄鐵在較低沖擊能量作用下，其小能量多次沖擊抗力優于中碳鋼。

3.1.9　疲勞極限

機器零件經過多次交變應力循環作用下，可能在應力水平低于拉伸強度（σb），甚至低于屈服強度（σ0.2）情況下損壞。這種損壞屬于疲勞損壞。對于球墨鑄鐵光滑試樣來說，疲勞損壞前應力循環次數可以達到107次，不出現明顯的塑性變形，而是突發的斷裂失效。從斷口上可看到裂紋起點和以此為中心向周圍擴展的層狀紋理，紋理范圍以外的斷面比較粗糙。

通常以經受107次交變應力而不發生疲勞斷裂的最大應力值來表示材料的抗疲勞斷裂能力，稱為疲勞極限。根據應力作用方式不同，有循環對稱彎曲疲勞極限、拉壓疲勞極限、旋轉彎曲疲勞極限、沖擊疲勞極限、接觸疲勞極限、腐蝕疲勞極限等。

球墨鑄鐵疲勞斷裂過程和其他金屬材料一樣，包含裂紋形核和擴展兩個基本過程。

在交變應力作用下，材料內部應力最集中的薄弱部位常是裂紋萌生部位。在球墨鑄鐵中，由于球狀石墨和其周圍基體變形不同而形成的空洞前端，往往是應力最集中的部位。首先出現的裂紋是在幾個晶粒之間受力發生滑移時產生的。形狀不規則的石墨、夾雜物和縮孔、縮松的邊緣，也是裂紋可能優先萌生的位置。

拉壓應力產生的裂紋只在拉應力下擴展。其途徑與在靜載荷下裂紋擴展的途徑很類似。裂紋擴展與基體類型有關。前期擴展速率較小。這一階段的顯微特征是使斷口上出現大量相互平行的紋理（一般稱為輝紋）。輝紋密度與疲勞產生的宏觀裂紋擴展速率有關。裂紋擴展速度隨交變應力次數的增多而加大。

裂紋擴展使零件承載斷面逐漸減小，當減小到超過其承載能力時，裂紋由亞穩擴展轉變為失穩擴展，失穩擴展表示裂紋在短時間急劇擴張而導致零件斷裂。失穩擴展階段形成的斷口粗糙，晶粒粗大。

圖3-16為φ10mm珠光體球墨鑄鐵試棒內部疲勞裂紋長度與交變應力循環次數的關系。由圖可見試驗期內大部時間消耗于使裂紋擴展至0.1～0.2mm階段。一旦裂紋達到這個尺寸后，其擴展速度顯著加快。

退火鐵素體球墨鑄鐵所受交變應力與疲勞斷裂前所經受的應力循環次數之間的關系示于圖3-17。圖中顯示光滑試樣的疲勞極限值（σ-1約197MPa）比缺口試樣的值（σ-1約120MPa）高。說明疲勞極限對缺口是敏感的。

材料的疲勞極限隨其抗拉強度而提高。球墨鑄鐵抗拉強度與疲勞極限比（疲勞極限與拉伸強度極限之比）之間的關系如圖3-18所示。

碳當量相同的鑄鐵中，相鄰球狀石墨之間的距離大于相鄰片狀石墨之間的距離。而且球數減少，距離增大，交變應力產生的裂口擴展路徑增大。在條件相同情況下，球墨鑄鐵中裂口擴展所對應的循環次數多于灰鑄鐵。在探查球墨鑄鐵疲勞裂紋擴展過程時發現，如果球狀石墨周圍應力集中比較輕微，則相鄰石墨腔體有遏制裂紋擴展的作用，可提高鑄件抗疲勞能力。

旋轉彎曲疲勞極限是許多球墨鑄鐵件的重要力學性能指標。圖3-19顯示球墨鑄鐵基體硬度對其旋轉彎曲疲勞極限的影響[4]。鑄件硬度低于500（HV）時，旋轉彎曲疲勞極限隨基體硬度增加而提高。這是因為晶體滑移阻力隨硬度上升而增加，推遲了裂紋萌生并減緩了裂紋亞穩擴展速率。

石墨球尺寸對旋轉彎曲疲勞極限的影響示于圖3-20中。影響程度與基體硬度有關。

畸形石墨降低球墨鑄鐵的旋轉彎曲疲勞極限和強度。但是對強度的影響比較大，對疲勞極限的影響相對較小。ω（C）=3.70%、ω（Si）=2.50%、ω（Mn）=0.60%球墨鑄鐵球化率由98%降到50%時，其抗拉強度降低了1/3，疲勞強度只降低約25%。上述成分的球墨鑄鐵球化率對疲勞極限的影響如圖3-21所示。

球墨鑄鐵件表面狀況（粗糙度、硬度、表面殘留應力）對其疲勞極限也有明顯影響。采用噴丸表面強化、表面淬火、表面滾壓強化等工藝措施都能使球墨鑄鐵件表面在外加壓力下產生局部塑形變形，形成殘余壓應力，從而改善零件的抗疲勞能力。

3.1.10　斷裂韌度

人類歷史上曾經出現過多起產生原因當時不被人們認識的事故。一些重型設備上的金屬構件在低于許用應力下正常運行時突然發生脆性斷裂。科學工作者對于此種現象進行深入研究后發現，脆性斷裂與金屬冶金質量、內部缺陷以及異質物的存在有關。材料內部的夾雜物、顯微孔洞易于在材料中萌生細微裂紋。這些細微裂紋在外加負荷（特別是交變載荷）或腐蝕性介質作用下，經過亞臨界擴展發展為失穩擴展（加速擴展），最終形成宏觀裂紋，導致構件發生脆性斷裂。

科學工作者應用彈塑性力學理論研究了裂紋萌生和擴展的規律及其影響因素。推導出“斷裂韌度”概念，并把斷裂韌度視為材料性能的一項指標。這個指標的意義在于：它以數學方式表達了含有內部缺陷的零件承受張開性負荷時，避免發生裂紋失穩擴展的裂紋尺寸和所受應力的關系。具體來說，在一定加載方式下，把裂紋尺寸的平方根與所承受應力的乘積值作為避免這種失穩擴展的基礎臨界數據。把此數據定義為應力場強度因子，以KI表示。當KI值達到導致裂紋開始失穩擴展的臨界值時，此特性參數寫為KIC。KIC=MPa·m1/2。其中MPa為加在裂紋范圍內的應力，m與裂紋長度有關。KIC代表不發生裂紋失穩擴展時金屬材料所允許的最大韌度，也稱為平面應變斷裂韌度。按標準方法試驗得出的KIC值通常被簡稱為材料的斷裂韌度。在實際工作應力狀況下，可以利用這個因子計算出避免發生突然脆性斷裂的最大內部裂紋尺寸和應力。

斷裂韌度與傳統力學性能指標不同之處在于：前者是在預制裂紋試樣上測定，后者則是在未顧及內部缺陷的光滑試樣（或缺口試樣）上測定。傳統指標中強度和塑性指標是分開的，斷裂韌度則是強度和塑性的綜合指標。例如已知裂紋長度可求出避免材料發生脆性斷裂最大應力。已知應力（σ）時可求出避免材料發生脆性斷裂的最大裂紋長度。

球墨鑄鐵的斷裂韌度（KIC）受基體組織、熱處理狀態、石墨球化率及分布狀態、試驗溫度等諸多因素的影響。幾種基體組織的球墨鑄鐵KIC值列于表3-6。

珠光體球墨鑄鐵是通過解理斷裂而失效，呈現平滑的解理斷口。珠光體的層片間距對KIC值有影響。層片間距越小，即珠光體越細，對裂紋在其中萌生和擴展的阻力越大，因而材料的斷裂韌度相應提高。鐵素體球墨鑄鐵斷裂前有大量塑性變形，裂紋很不規則，呈波浪形。

圖3-22顯示三種基體球墨鑄鐵在應力強度因子范圍ΔK相同情況下裂紋擴展速率的比較。可見珠光體球墨鑄鐵的裂紋擴張速率最高，鐵素體球墨鑄鐵的裂紋擴展速率最低，奧氏體+針狀鐵素體球墨鑄鐵介于兩者之間。

P—珠光體球墨鑄鐵；F—鐵素體球墨鑄鐵；A+B—奧氏體+針狀鐵素體球墨鑄鐵

熱處理對球墨鑄鐵斷裂韌度有一定影響。淬火后材料的KIC值將要降低。但繼之以高溫回火使材料具有細珠光體組織，則KIC值顯著提高。淬火回火后組織中有殘留奧氏體存在時，KIC值也會提高。等溫淬火球墨鑄鐵硬度值50～55（HRC）時，KIC值只有600～700MPa·m1/2。但是提高等溫處理溫度后，KIC值提高。

石墨球比較圓整時，球化率對KIC值沒有明顯影響。但球化率較低時（例如60%～70%），則球化率的影響就比較顯著了。石墨球徑越小，在其他條件相同時，KIC值越高。在石墨球密集區，相鄰球體間應力集中效應明顯，而且球體周圍的疲勞裂紋容易連接起來形成較大裂紋，將會使KIC值顯著降低。從斷裂韌度的角度來看，應盡量避免石墨球的不均勻分布。

石墨球數對KIC值的影響見圖3-23。表明增加球數可提高球墨鑄鐵的KIC值。

溫度對球墨鑄鐵的KIC值有影響。在不同溫度下，各種球墨鑄鐵的KIC值列于表3-7。

①除另有說明外，試樣化學成分：ω（C）=3.6%，ω（Si）=2.5%，ω（Ni）=0.38%，ω（Mo）=0.35%。

3.1.11　抗熱疲勞強度

金屬在某一溫度區間反復進行加熱-冷卻，經過許多次熱循環后，由于各個組成相之間或組成相內部不同組分之間熱膨脹性質不同，導致晶格失穩、晶體損傷，組織遭到破壞，鑄件受到損傷。這種損傷稱為熱疲勞損傷。汽車發動機排氣歧管、剎車鼓、玻璃模具、鋼錠模等都是常見的需要較高抗熱疲勞性能的鑄件。這些鑄件常以抗熱疲勞性能作為評價鑄造質量和工作壽命的主要標準。

球墨鑄鐵熱疲勞與其高溫強度、球狀石墨形態與數量、組成相熱膨脹系數、加熱和冷卻溫度以及溫度變化速率、熱循環溫差、熱導率、鑄件應用時是否受到結構約束等一系列因素有關。進行合金化調整鑄件顯微組織（包括石墨與基體）、降低熱膨脹系數也是改善球墨鑄鐵抗熱疲勞性能的重要措施。

3.1.12　高溫力學性能

溫度升高金屬晶體強度和晶界強度都要下降。熱激活作用增強，在外力作用下，原子遷移所需能量降低，更具有方向性，塑性變形容易進行。也就是說，高溫加強原子擴散運動，促進晶粒本身的形變過程及晶界的滑動及遷移過程，從而使金屬力學性能發生變化。溫度越高，外力作用時間越長，這種影響越顯著。

另外，金屬組織類型在高溫下可能發生的變化也會影響材料力學性能。在室溫下對金屬有強化作用的因素（例如固溶強化，形變強化）在高溫時都會降低它們的作用，或者失去強化作用。

金屬材料的高溫力學性能與鑄件加熱溫度、零件所受應力大小、應力作用時間長短有關。高溫強度包括短時高溫強度、高溫持久強度、蠕變極限。這些指標對高溫下使用的鑄件都是重要的。短時高溫強度是指在高溫下進行短時間拉伸試驗得到的結果。球墨鑄鐵的拉伸強度、屈服強度一般是隨溫度提高而降低。拉伸強度、屈服強度、伸長率的變化則因基體不同而有差異。室溫至760℃范圍內伸長率都有先降低后提高的趨勢。

溫度對球墨鑄鐵高溫短時拉伸強度、屈服強度和伸長率的影響見圖3-24。

標稱力學性能不同的球墨鑄鐵在-50～450℃溫度范圍內的許用拉伸應力列于表3-8。

球墨鑄鐵的彈性模量也隨溫度的提高而降低。基體類型不同的球墨鑄鐵彈性模量隨溫度變化的情況如圖3-25所示。

1—鐵素體+珠光體；2—鐵素體；3—鋼

3.1.13　蠕變與持久強度

通常規定在某一規定溫度下經過100000h加熱，總蠕變量小于0.1%的許用應力作為金屬在某溫度下的持久強度。

金屬在一定溫度和應力長時間作用下發生緩慢塑性變形現象稱為蠕變。蠕變極限是促使金屬發生蠕變的強度指標。即在一定溫度和規定時間內獲得一定總變形量的應力值。持久強度是指金屬在高溫和應力長時間作用下的斷裂抗力。金屬的抗蠕變能力和持久強度對于在高于室溫工作的球墨鑄鐵件都是重要的。

圖3-26顯示溫度和時間對球墨鑄鐵持久強度的影響。珠光體球墨鑄鐵持久強度高于鐵素體球墨鑄鐵，但是當工作溫度達到650℃時，兩種球墨鑄鐵的持久強度已很接近，這可能與粒狀珠光體出現有關。有些產品需要添加合金元素提高抗蠕變能力。鉬、硅、鋁是比較有效的合金元素，鉬細化珠光體，增加組織的穩定性，提高球墨鑄鐵高溫強度，改善抗蠕變能力非常有效。

3.1.14　高硅鐵素體耐熱球墨鑄鐵

當前有兩種常用于高溫環境的球墨鑄鐵：高鎳奧氏體球墨鑄鐵和高硅鐵素體球墨鑄鐵。本書將在第10章全面介紹高鎳奧氏體球墨鑄鐵，這里只介紹高硅鐵素體球墨鑄鐵。

鑄鐵類合金在高溫下工作，其組織和性能都會發生一些變化。這些變化主要表現在：鑄件表面脫碳起皮、內部氧化、鑄件重量和尺寸增加、被稱為氧化和熱生長；材料強度、蠕變極限和持久強度相應降低；熱疲勞壽命縮短；熱沖擊抗力減弱。高溫下性狀變化除與石墨形態、分布、數量有關外，還受基體金屬類型和組織形態的顯著影響。

球墨鑄鐵的鐵素體基體是含碳量很低的單相組織。在高溫環境中，鐵素體不像珠光體那樣發生共析滲碳體分解。碳從基體內部析出可導致鑄件出現熱生長。研究結果顯示，鐵素體中溶入硅、鋁等合金元素，能夠有效提高共析轉變溫度，使鑄件組織在較高溫度范圍內不發生相變，有助于消減球墨鑄鐵件的熱生長。含硅量達到4%～5%的高硅耐熱球墨鑄鐵，例如ω（Mo）=0.3%～0.7%，ω（Si）=4.5%～5.5%硅鉬球墨鑄鐵高溫下的力學性能得到顯著改善、抗熱沖擊及熱疲勞性能顯著提高。適用于在較高溫度環境（300～700℃）中使用的零件。當球墨鑄鐵含硅量增加到10%以上，鑄件使用溫度可達750～800℃，用于制造諸如鍋爐預熱器、煤粉噴嘴、煙道閘門一類零件。也適用于汽車發動機排氣歧管等耐熱疲勞鑄件。又能有效抵抗酸類腐蝕，成為優良的耐蝕鑄鐵。

耐熱鑄鐵國家標準（GB/T9437）中列有4種硅系耐熱球墨鑄鐵，化學成分、室溫拉伸強度、硬度指標列于表3-9。

在高溫環境中，硅系耐熱鐵素體球墨鑄鐵中硅受到氧化后，在鑄件表面生成一層由FeO和SiO2組成的復合化合物（2FeO·SiO2），構成致密的、與鑄件表面牢固結合的保護膜，保護膜阻止氧離子通過鑄件表層向內部滲入，能夠有效地減輕鑄件氧化。

圖3-27顯示含硅量對球墨鑄鐵氧化物生成量以及共析轉變溫度的影響。由圖可見，含硅量超過3.5%～4.0%時，抑制氧化的效果就比較穩定而顯著了。

1—700℃；2—850℃；3—加熱時共析轉變溫度

800℃保溫時，幾種鑄鐵氧化增重率與硅系耐熱鐵素體球墨鑄鐵的比較示于圖3-28。可以看出，硅系耐熱鐵素體球墨鑄鐵氧化增重率顯著低于其他鑄鐵。

1—高碳灰鑄鐵；2—灰鑄鐵；3—鉻耐熱鑄鐵RTCr2；4—以蠕蟲石墨為主的蠕墨鑄鐵；5—團狀蠕蟲石墨鑄鐵；6—中硅鐵素體球墨鑄鐵；7—中硅蠕墨鑄鐵

硅系鐵素體球墨鑄鐵室溫力學性能并不隨含硅量而發生相應變化。這是因為硅固溶于鐵素體以及元素偏析或鐵素體組織出現有序化，導致鐵素體脆化所致。

硅系耐熱球墨鑄鐵在600℃、700℃及800℃的抗拉強度和延伸率見表3-10。

在高硅鐵素體耐熱球墨鑄鐵中硅能有效地降低球墨鑄鐵蠕變速率，提高持久強度，延長鑄件工作壽命，但鑄件含硅量達到4%左右效果才比較明顯。球墨鑄鐵件同時添加鉬和硅能產生更優良抗蠕變能力。鋁、鉻、硼、鎳、銅也能提高球墨鑄鐵抗蠕變能力。鋁的加入量在3.5～4.0之間效果較好。但鋁也影響球墨鑄鐵的其他性能，使用時宜慎重。

另外，這種球墨鑄鐵還有很好的蠕變極限強度和熱疲勞抗力。尤其是在材料中添加鉬以后，效果更為顯著。例如，采用ω（Si）=3.8%～5.0%、ω（Mo）=0.5%～1.2%硅鉬球墨鑄鐵制造在200～850℃交變溫度下工作的鑄件，長期使用結果令人滿意。適合制造汽車發動機排氣歧管、渦輪增壓器殼體等需要具有優良抗熱疲勞性能的鑄件。尺寸穩定性要求高的精密零件加鉬量1.0%～1.5%時可取得很好的效果。

鉬對ω（Si）=4%耐熱球墨鑄鐵600℃蠕變應力的影響示于圖3-29。表明加鉬超過1%可以產生顯著效果。

在硅系耐熱球墨鑄鐵中加入釩，ω（V）<0.5%，材料在450～650℃之間的抗拉強度、屈服強度均有提高，其效果與加入同等數量鉬的效果很接近。

3.1.15　低溫力學性能

球墨鑄鐵的低溫力學性能是近些年來鑄造界許多人關注的問題。因為需要在低溫（-200～-20℃）環境中承受重負荷的高韌性球墨鑄鐵件需要量越來越多。這些鑄件常常處于設備的關鍵位置，例如裝設在高寒地區的風力發電機箱體、鋪設在高寒地區鐵路鋼軌下面的墊板等都在遠低于0℃溫度下使用。低溫會使球墨鑄鐵的室溫力學性能發生變化，可能使那些在室溫下安全運行的零件在冬季突然損壞，為了確保設備安全運行。有必要探討球墨鑄鐵的低溫力學性能，保證設備能在低溫環境中安全運行。

低溫環境應用的鑄件采用鐵素體球墨鑄鐵。圖3-30（a）顯示鐵素體球墨鑄鐵的幾項基本力學性能指標隨溫度而變化的情況。圖中幾條曲線說明：隨著材料溫度的降低，鐵素體球墨鑄鐵的抗拉強度、屈服強度相應提高，而其斷后伸長率在低于一定溫度時基本上沒有大的變化，但在降低到某一溫度界限后，延伸率開始急劇下降。說明材料在低溫下逐漸由韌性向脆性轉變。當材料受力達到屈服強度后，很小的變形就可能使零件發生斷裂。

鐵素體球墨鑄鐵的低溫沖擊韌度高于珠光體球墨鑄鐵。圖3-31表示幾種球墨鑄鐵在不同溫度下的沖擊韌度。在韌-脆性轉變溫度方面。鐵素體球墨鑄鐵的韌-脆性轉變溫度約在-50℃左右，而珠光體球墨鑄鐵的韌-脆性轉變溫度約在-20～20℃之間。基體中出現碳化物，特別是存在網狀碳化物時，低溫沖擊值明顯下降。

1—鐵素體；2—鐵素體+珠光體；3—粒狀珠光體；4—珠光體

低溫球墨鑄鐵的化學成分對鑄件可靠性有影響。鐵素體含硅量過分提高時，低溫沖擊值顯著下降，韌-脆性轉變溫度顯著增高。綜合考慮硅對鐵素體生成和低溫沖擊韌度的影響，硅質量分數保持在1.8%～2.0%較為合適。磷對低溫沖擊韌度也有較大影響。有資料報道，當磷的質量分數從0.057%增加到0.11%時，球墨鑄鐵韌-脆性轉變溫度由-40℃上升到接近室溫。為了設備運行的安全性，低溫使用的鐵素體球墨鑄鐵件中磷含量都應控制在0.02%以下。錳和磷有相似的作用。為了避免產生晶間碳化物，改善材料在低溫下的塑韌性，含錳量不要超過0.15%。

鐵素體球墨鑄鐵缺口試樣的低溫沖擊值遠小于無缺口試樣，缺口試樣的韌-脆性轉變溫度接近室溫。低溫應用的鐵素體球墨鑄鐵件切削加工時要特別注意避免出現尖銳缺口。

鎳錳奧氏體球墨鑄鐵的低溫韌性優于其他基體的球墨鑄鐵，在高寒地區可應用于重要鑄件。

除此之外，應該設法細化鐵素體球墨鑄鐵件晶粒。鑄件晶粒尺寸減小可提高孿生屈服應力。晶粒細化到一定程度后，晶粒優先發生滑移變形，可以改善球墨鑄鐵的低溫力學性能。