3.2 球墨鑄鐵物理性質
本節介紹球墨鑄鐵主要物理性質。包括密度、熱物理性質（熱導率、比熱容、熔化潛熱、線膨脹系數）和磁、電性質。合金物理性質對于鑄件的工作性能常有非常重要的影響，是選擇鑄件材料和生產工藝的重要因素。
3.2.1 密度
球墨鑄鐵的密度取決于石墨體積分數、基體類型。表3-11中列出球墨鑄鐵中各種組織的密度。石墨密度為2.25g/cm3。因此石墨體積分數越大，球墨鑄鐵密度越小。提高碳、硅含量，可以增加球狀石墨析出量，降低球墨鑄鐵密度。
表3-11 球墨鑄鐵中各種組織的密度
化學成分影響球墨鑄鐵密度。例如提高硅的質量分數，可使鐵素體密度呈線性降低。鐵素體含硅量由0提高到13.5%，鐵素體密度由7.86g/cm3減少到7.23g/cm3。鑄件密度隨之下降。鎂含量小于0.04%時，殘余鎂量對球墨鑄鐵密度沒有明顯影響。但是超過0.07%以后，由于基體中出現碳化物，減少球狀石墨體積分數，球鐵密度加大。表3-12列出幾種球墨鑄鐵和鑄鐵的室溫密度。
表3-12 幾種鑄鐵和球墨鑄鐵的室溫密度
經過爐前處理的球墨鑄鐵水密度約為7.05g/cm3。其密度隨鐵水溫度的升高而降低。同時也稍受含碳量的影響，提高含碳量使鐵水密度降低。
3.2.2 熱導率
熱導率也稱導熱系數，這一參數表示物質傳熱的能力。具體來說就是單位時間內維持單位溫度梯度時流經單位面積的熱量。有些鑄件需要在工作中很快發散自身積蓄的熱量，使鑄件保持在較低的溫度，要求鑄件材料有較高熱導率。尤其是高溫使用的厚壁鑄件、溫度變化頻繁的鑄件（如鋼錠模）、承受熱沖擊的鑄件、要求快速達到溫度均勻的鑄件，材料的熱導率對零件壽命有重要影響。
石墨的熱導率大于基體金屬，因此鑄鐵類合金熱導率高于鑄鋼。
石墨形態影響鑄鐵熱導率。灰鑄鐵中片狀石墨交錯相連，其100℃熱導率約為50～53W/（m·℃）。球墨鑄鐵的熱導率為30～38W/（m·℃），低于灰鑄鐵。提高球化率使熱導率降低。白口鑄鐵熱導率遠低于灰鑄鐵。
表3-13列出球墨鑄鐵中幾種基體組織在不同溫度范圍的熱導率[W/（m·℃）]。鐵素體的熱導率最高，溫度低于100℃時，約為滲碳體熱導率的10倍[3]。
表3-13 幾種基體組織在不同溫度范圍的熱導率 單位:W/（m·℃）
三種基體球墨鑄鐵的熱導率見表3-14。
表3-14 三種基體球墨鑄鐵的熱導率
除去基體組織之外，影響球墨鑄鐵熱導率的因素還有鑄件溫度和化學成分。球墨鑄鐵熱導率隨溫度提高而下降（圖3-32）。
圖3-32 溫度對熱導率的影響
球墨鑄鐵熱導率隨含碳量增加而上升。硅、鎳、鋁、錳、磷、銅等元素降低熱導率。硅和鎳對熱導率的影響比較顯著（圖3-33）。銅含量小于2%，降低熱導率，超過此含量則稍提高熱導率。鉻、鉬、鎢、釩等元素促進碳化物形成，有降低熱導率傾向，但作用較小。
圖3-33 鎳和硅含量對鐵素體球墨鑄鐵熱導率的影響試樣含碳量2.52%～4.12%
3.2.3 線膨脹系數
金屬溫度上升，原子間距增大，宏觀上表現為整個物體的體積膨脹。討論材料熱物理性質時，常以反映不同溫度下長度相對變化的線膨脹量表示材料的熱膨脹性質。為了對不同材料的熱膨脹量進行比較，需測定物質在某一溫度區間，溫度每變化1K時物體單位長度相對變化的平均值，稱為線膨脹系數。其單位為×10-6/℃。熱膨脹系數并非恒量，它隨溫度的升降而有變化。
球墨鑄鐵的線膨脹系數主要取決于基體組織和溫度。化學成分也有一些影響。在相同溫度區間，鐵素體球墨鑄鐵和馬氏體球墨鑄鐵比珠光體球墨鑄鐵的線膨脹系數略大。奧氏體球墨鑄鐵線膨脹系數最大。表3-15列出各種基體組織的球墨鑄鐵在700℃以下各溫度范圍的熱膨脹系數[4]。
表3-15 球墨鑄鐵熱膨脹系數
有關文獻公布的平均線膨脹系數不適用于相變產生的尺寸變化。
較小的熱膨脹系數對于需在高溫保持高尺寸精度的鑄件是很重要的。在鑄造和熱處理過程中，材料線膨脹系數直接影響內部熱應力的大小。對于可能發生約束熱疲勞損傷的鑄件，材料的熱膨脹系數的大小更是十分重要。汽車發動機的排氣歧管就是這類鑄件。加入大量鎳元素除了形成高鎳奧氏體基體增強鑄件高溫性能外，更主要是降低材料的線膨脹系數。能夠有效減少熱疲勞造成的零件損傷。
3.2.4 比熱容
單位質量物體溫度上升一度所需熱量稱為比熱容。球墨鑄鐵比熱容是石墨和基體金屬各種組分比熱容的平均值。與大多數金屬材料一樣，球墨鑄鐵比熱容隨溫度上升而提高。球墨鑄鐵中石墨比熱容小于鐵的比熱容，含石墨較多的球墨鑄鐵比熱容較低。
球墨鑄鐵在室溫下的比熱容為420J/（kg·K）左右，不同溫度的比熱容列于表3-16。
表3-16 不同溫度的比熱容
3.2.5 熔化潛熱
使單位質量固體熔化所需的熱量稱為該物質的熔化潛熱。綜合一些文獻上公布的數據，普通球墨鑄鐵和低合金球墨鑄鐵熔化潛熱與灰鑄鐵的熔化潛熱相差不多，約為210～230J/g。化學成分對普通球墨鑄鐵熔化潛熱影響不大。
3.2.6 鐵水表面張力
鐵水的表面張力對材料的鑄造性能有實際意義，因為它們直接影響鐵水流動性和填充鑄型能力。
在較高的溫度下，鐵水表面張力明顯降低。球墨鑄鐵水的表面張力高于灰鑄鐵水。1400℃的灰鑄鐵水表面張力為（6.6～9.2）×10-1J/m2，球墨鑄鐵水則為（8.2～12.2）×10-1J/m2。球墨鑄鐵水的表面張力受其化學成分的影響。硫、鈦、磷降低鐵水表面張力。但磷的影響比較輕微。脫氧元素（鎂、鋁、稀土元素）則提高鐵水表面張力。
3.2.7 鐵水黏度
溫度和成分對鐵水黏度的影響與對表面張力的影響相似。
1500℃灰鑄鐵水的黏度范圍為0.0045～0.0052Pa·s。球墨鑄鐵在該溫度的黏度約為0.005～0.0055Pa·s。略高于灰鑄鐵。
3.2.8 電阻率
球墨鑄鐵電阻率受石墨體積分數、基體組織類型、化學成分和溫度的影響而有變化。
石墨本身電阻率較高，約為鐵素體的14倍。所以球狀石墨體積分數較大時，球墨鑄鐵電阻率較高。每增加1%石墨，電導率約降低10%～20%。在碳當量相同的條件下，鑄件的石墨球少、直徑較小，鑄件電阻率低。球墨鑄鐵電阻率低于灰鑄鐵。
珠光體或滲碳體均比鐵素體的電阻率高。ω（C）=3.6%、ω（Si）=2.4%珠光體球墨鑄鐵電阻率為59μΩ·cm，鐵素體球墨鑄鐵為55μΩ·cm。珠光體的層間距小，則電阻率降低。鑄態組織中有珠光體或滲碳體的球墨鑄鐵，經過完全退火，珠光體或滲碳體分解后，導電能力顯著增強。
化學成分對球墨鑄鐵電阻率有顯著影響。碳和硅含量增加時，石墨含量多，電阻率上升。基體組織和硅含量對球墨鑄鐵室溫電阻率的影響見圖3-34[4]。
圖3-34 基體組織和硅含量對球墨鑄鐵室溫電阻率的影響
能溶入鐵素體或能改變顯微組織的合金元素，都可能對球墨鑄鐵的電阻率產生影響。鋁、錳、鎳的含量在0.5%～1.0%時，降低電阻率。含量高于此范圍則提高電阻率。銅（少于1%）和磷（超過正常含量）稍提高球墨鑄鐵電阻率。高鋁耐熱球墨鑄鐵電阻率高達200～240μΩ·cm，可用于生產電加熱器的電阻片。
溫度對球墨鑄鐵電阻率有顯著影響。提高溫度使電阻加大。球墨鑄鐵與灰鑄鐵有近似的電阻溫度系數。基體組織對電阻溫度系數的影響很小。珠光體與鐵素體球墨鑄鐵的室溫電阻系數約為0.00106/℃，奧氏體球墨鑄鐵為0.00025/℃。
3.2.9 磁性質
鑄鐵合金可作為軟磁性材料應用于電機制造工業。雖然它的磁性質遜于永磁鋼和硅鋼，但是因為它易于鑄成形狀復雜的鑄件，磁性質受機械應力的影響較小，磁性損失對溫度不敏感，它在工業上仍有一些用途。
圖3-35顯示球墨鑄鐵與灰鑄鐵的磁化曲線。可以看出，在相同的磁場強度下，球墨鑄鐵比灰鑄鐵磁感強度高。鐵素體球墨鑄鐵的磁感強度值大于珠光體球墨鑄鐵和馬氏體球墨鑄鐵。滲碳體使球墨鑄鐵磁感強度降低。
圖3-35 球墨鑄鐵與灰鑄鐵的磁化曲線
球墨鑄鐵與灰鑄鐵磁導率的比較見圖3-35[4]。
石墨形態對于球墨鑄鐵矯頑磁力的影響非常微小，幾乎可以忽略。
含磷較低的鐵素體球墨鑄鐵的磁滯損耗、剩余磁感和矯頑磁力都很低。錳和鉻降低磁感應強度、磁導率、剩余磁感，使磁滯損失增加。硅對珠光體組織的磁性質影響很小，僅稍能增加最大磁導率。硅減少鐵素體球墨鑄鐵的磁滯損失。
大多數鑄鐵類合金的居里點在770℃左右。在居里點以下，磁導率隨溫度的上升而加大。超過居里點轉變為順磁性材料。硅使球墨鑄鐵的居里點稍有降低。
非磁性奧氏體球墨鑄鐵都含有大量合金元素。在高鎳奧氏體球墨鑄鐵中的含錳較高的牌號多為非磁性材料。可用來制造要求磁滯損耗很小、電阻率高、磁導率低的鑄件。例如：ω（Ni）=12%～14%、ω（Mn）=6%～7%、ω（Si）=2%～3%就是良好的非磁性球墨鑄鐵。