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第六章铁第一节铁的性质教学目标:1.使学生了解铁的物理性质。
2.要求学生掌握铁跟氧气、盐酸、稀硫酸、硫酸铜溶液反应的实验现象和化学方程式。
3.使学生对铁制品锈蚀的主要原因和一般防锈方法有个粗略认识。
重点和难点:1.铁的化学性质2.对铁的“化学性质比较活泼”的理解及建立反应条件对化学反应的结果有很大影响的观点。
教学过程：一、启发提问，提出课题【问题】从三个方面提出问题：1.列举几件常见的铁制品，明确它们的主要成分都是铁。
2.引导学生分析铁的各种物理性质。
3.教师归纳铁的物理性质的提纲。
【板书】铁的物理性质:色、态、延展性、传导性、硬度、密度、熔点、沸点。
纯净的铁是光亮的银白色金属，它的密度是7.86g/cm3，熔点是1535℃，沸点是2750℃。
纯铁的抗蚀力相当强，但通常用的铁一般都含有碳和其它元素，因而使它的熔点显著降低，抗蚀力也减弱。
铁有延展性和导热性。
铁也能导电，但是它的导电性比铜、铝都差。
铁能被磁体吸引。
在磁场的作用下，铁自身也能产生磁性。
但不及铜、铝的导电性强，故通常不用做导线。
纯铁的磁化和去磁化都都快，常用于制发电机和电动机的铁芯。
正是由于铁具有可塑性、硬度大、铁磁性等工程技术上所磁铁：磁铁是磁体的一种。
磁铁能够吸住铁、镍、钴等金属，俗称为吸铁石。
可分为一般常见的永久磁铁，以及通电时才具备磁性的电磁铁。
磁铁若制成棒状或针状并悬挂起来，会很自然地指向地球的南极和北极。
磁铁分为大型磁铁和小型磁铁。
大型磁铁、磁铁的用途很广泛，利用电磁铁，制成运送钢铁的起重机。
通电后成为磁性强大的磁铁，所以能吸住笨重的钢铁。
放下钢铁时只要切断电源即可。
小型磁铁：与大型磁铁相比之下，指南针显得既小又轻，磁性也弱了许多。
指南针的作用不在于吸铁，而在于反映地球的磁力。
要求的许多优良性能，使它成为应用最广泛、用量最多的金属铁是____色，____态，____延展性，____传导性，硬度____，密度____，熔点____，沸点____二、引导分析认识铁的化学性质（钝化：金属表面形成氧化膜保护层而使金属不易腐蚀或与其他物质反应；或经化学、电化学方法处理使金属由活泼变为不活泼状态的过程叫钝化。
第六章铸铁铸铁是指含碳量大于2．11％的铁碳合金（工业上常用铸铁的含碳量一般在3．0～4．5％范围内），其中含有相当数量的杂质，如硅、锰、硫、磷等，尤其硅的含量比较高，最高可达％左右。
铸铁作为机械制造工业的重要金属材料，广泛应用在汽车、拖拉机、机床、重型机器、冶矿机械的制造过程中。
如制造内燃机、柴油机的气缸壳、曲轴、汽车、拖拉机的轮壳、轴壳，机床的床身、导轨、刀架、卡盘，重型机器的机架、齿轮、箱体、机座，轴承座等。
按铸铁重量的百分数计算，约占钢铁生产的一半左右，占有很大的比重。
铸铁之所以被如此广泛的应用，是与其具有许多优良性能分不开的，而铸铁的优良性能又决定于铸铁的组织，第一节铸铁的组织与性能铸铁实质上是由各种不同形状的石墨分布在钢的基体上所构成的混合组织，因此，随着基体钢的组织不同以及石墨所具有的形态，大小、数量和分布的不同，可以分为许多种类，并具有各自不同的性能。
按基体的组织，常可以分铁素体基体、铁素体加珠光体基体、珠光体基体等；按石墨的形状又可以分为片状、团絮状和球状。
如图6—1所示。
图6－1 铸铁中石墨的形状示意图a)片状 b）团絮状 c）球状石墨是由碳原于按游离状态构成的软松组织，其强度、硬度很低，塑性、韧性几乎为零。
所以，石墨在铸铁中犹如裂纹和空洞，故常把铸铁看作是基体上布满了裂纹和空洞的钢。
石墨常用符号G表示。
由于石墨的存在，割裂了基体——钢，破坏了基体的连续性，削弱了基体的强度和韧性，所以，铸铁与钢相比，机械性能显然比钢差，但是，正由于石墨的存在，给铸铁带来了许多钢所不及的优良性能，如：（1）良好的铸造性能：铸铁由于含碳量比钢高，所以熔点比钢低，熔化浇注方便，铁液流动性好，充填铸型能力强，冷却时收缩率也小，不容易因内应力过大而造成开裂，所以，适合浇注形状复杂的零件或毛坯，铸造性能良好。
（2）良好的减磨性能：铸铁零件在与对偶发生摩擦时，因石墨是松软的固体润滑剂，能起到一定的润滑作用，故减少了铸件和配偶的磨损。
《金属材料与热处理》教材习题答案第六章铸铁1.什么是铸铁？与钢相比，它在成分、组织和性能这几个方面有什么不同？答：铸铁是含碳量大于2.11％的铁碳合金而钢的含碳量通常在1.4%以下，常用的铸铁，含碳量一般在2.5％~4.0％的范围内，此外还含有较高的硅（Si）、锰（Mn）、硫（S）、磷（P）等元素。
铸铁的组织可看成在钢的基体上分布着不同形态、大小、数量的石墨。
由于石墨的力学性能很差，其强度和塑性几乎为零，这样我们就可以把分布在钢的基体上的石墨看作不同形态和数量的微小裂纹或孔洞，这些“孔洞”一方面割裂了钢的基体，破坏了基体的连续性，而另一方面又使铸铁获得了良好的铸造性能、切削加工性能及消音、减震、耐压、耐磨、缺口敏感性低等诸多优良的性能。
2.什么是铸铁的石墨化？影响铸铁石墨化的因素有哪些？答：铸铁中的碳以石墨的形式析出的过程称为石墨化。
影响铸铁石墨化的因素主要是铸铁的成份和冷却速度。
铸铁中的各种合金元素根据对石墨化的作用不同可以分为两大类，一类是非促进石墨化的元素，有碳、硅、铝、镍、铜和钴等，其中碳和硅对促进石墨化作用最为显著。
所以铸铁中碳、硅越高，往往其内部析出的石墨量就越多，石墨片也越大。
另一类是阻碍石墨化的元素，有铬、钨、钼、钒、锰硫等。
冷却速度对石墨化的影响也很大，当铸铁结晶时，冷却速度越缓慢，就越有利于扩散，使石墨析出的越大、越充分；在快速冷却时碳原子无法扩散，则阻碍石墨化，促进白口化。
3.铸铁中石墨有哪几种形态？石墨的形态、数量和分布状态对铸铁的性能会产生什么影响？答：铸铁中石墨有曲片状、团絮状、球状和蠕虫状等形态。
在相同基体的情况下，不同形态和数量的石墨对基体的割裂作用是不同的，呈片状时表面积最大，割裂最严重，蠕虫状次之，球状表面积最小、应力最分散，割裂作用的影响就最小；石墨的数量越多、越集中，对基体的割裂也就越严重，则铸铁的抗拉强度也就越低，塑性就越差。
4.根据石墨的形态不同，铸铁可分为哪几种？答：根据铸铁中石墨形态的不同，可将铸铁分为：石墨呈曲片状存在的普通灰口铸铁，简称灰铸铁或灰铁。
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复习要求第二章金属材料的性能一、了解金属的性能概述二、理解金属的力学性能定义及其应用▲三、理解金属的工艺性能定义及其应用第三章铁碳合金▲一、了解金属的实际晶体结构二、了解合金的基本组织▲三、熟悉铁碳合金的基本组织四、二元Fe3C相图的运用1、了解二元Fe3C相图的运用▲2、理解二元Fe3C相图，并会运用相图分析钢铁热处理组织转变过程4、基本会用二元Fe3C相图铸造、锻造、热处理工艺制定依据五、掌握碳素钢的分类、牌号表示方法及性能第四章钢的热处理一、理解钢的热处理原理，并掌握热处理分类方法二、基本熟悉常见钢的整体热处理工艺方法▲三、基本熟悉钢表面热处理工艺方法▲四、了解钢在加热和冷却时的组织转变五、基本能对典型零件的热处理后给予质量评价和分析第五章合金钢▲一、了解合金元素在钢中的作用二、掌握合金钢分类和牌号表示方法▲三、基本熟悉合金结构钢和合金工具钢常用牌号、性能和用途第六章铸铁▲一、了解铸铁的基本组织，熟知铸铁的分类二、常用铸铁（灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁）的牌价、性能、用途第七章有色金属及硬质合金▲一、了解纯铝的牌号、性能和用途二、基本熟悉铝合金分类、牌号、性能和用途附基本复习题于后第二章金属材料的性能—.填空题（将正确答案填写在横线上）2. 强度的常用衡量指标有.屈服强度、和抗拉强度，分别用符号ReL、和Rm表示。
二.判断题（正确的打“√”，错误的打“×”）▲3. 做布氏硬度试验时，在相同实验条件下，压痕直径越小说明材料的硬度越低。
（×）7. 一般用洛氏硬度机而不用布氏硬度机来检测淬火钢成品工件的硬度。
（√）▲9. 一般来说，硬度高的材料其强度也较高。
第六章铸铁铸铁是指含碳量大于2．11％的铁碳合金（工业上常用铸铁的含碳量一般在3．0～4．5％范围内），其中含有相当数量的杂质，如硅、锰、硫、磷等，尤其硅的含量比较高，最高可达3.0％左右。
铸铁作为机械制造工业的重要金属材料，广泛应用在汽车、拖拉机、机床、重型机器、冶矿机械的制造过程中。
如制造内燃机、柴油机的气缸壳、曲轴、汽车、拖拉机的轮壳、轴壳，机床的床身、导轨、刀架、卡盘，重型机器的机架、齿轮、箱体、机座，轴承座等。
按铸铁重量的百分数计算，约占钢铁生产的一半左右，占有很大的比重。
铸铁之所以被如此广泛的应用，是与其具有许多优良性能分不开的，而铸铁的优良性能又决定于铸铁的组织，第一节铸铁的组织与性能铸铁实质上是由各种不同形状的石墨分布在钢的基体上所构成的混合组织，因此，随着基体钢的组织不同以及石墨所具有的形态，大小、数量和分布的不同，可以分为许多种类，并具有各自不同的性能。
按基体的组织，常可以分铁素体基体、铁素体加珠光体基体、珠光体基体等；按石墨的形状又可以分为片状、团絮状和球状。
如图6—1所示。
图6－1 铸铁中石墨的形状示意图a)片状b）团絮状c）球状石墨是由碳原于按游离状态构成的软松组织，其强度、硬度很低，塑性、韧性几乎为零。
所以，石墨在铸铁中犹如裂纹和空洞，故常把铸铁看作是基体上布满了裂纹和空洞的钢。
石墨常用符号G表示。
由于石墨的存在，割裂了基体——钢，破坏了基体的连续性，削弱了基体的强度和韧性，所以，铸铁与钢相比，机械性能显然比钢差，但是，正由于石墨的存在，给铸铁带来了许多钢所不及的优良性能，如：（1）良好的铸造性能：铸铁由于含碳量比钢高，所以熔点比钢低，熔化浇注方便，铁液流动性好，充填铸型能力强，冷却时收缩率也小，不容易因内应力过大而造成开裂，所以，适合浇注形状复杂的零件或毛坯，铸造性能良好。
（2）良好的减磨性能：铸铁零件在与对偶发生摩擦时，因石墨是松软的固体润滑剂，能起到一定的润滑作用，故减少了铸件和配偶的磨损。
此外，铸铁在摩擦时，石墨容易脱落，石墨脱落后留下的凹坑又有利储存润滑油，也能减少铸铁的磨损。
因此，工业上常用铸铁制造机床导轨，车轮制动片甚至轴承等。
（3）较好的消震性：铸铁中的石墨对震动能起到缓冲作用，石墨能吸收震动能，从而阻止了晶粒之间震动能的传递，使铸铁具有较好的消震性，正是利用铸铁的这一特点，工业上的许多零件常用铸铁来制造，如汽车、拖拉机的轴壳、汽缸外壳、机床底座等。
（4）良好的切削加工性能：铸铁一般硬度都比较低，切削加工容易，石墨又类似空洞和裂纹，使切屑发生脆断，不易拉毛加工后的表面；石墨是润滑剂，能起到减磨作用，刀具不容易磨损。
因此，铸铁的切割加工性能良好。
（5）低的缺口敏感性：钢制零件，常因表面带有缺口（如刀痕、裂纹、油槽、键槽等）而容易引起应力集中，致使零件开裂，即对缺口比较敏感。
但是，铸铁，由于其石墨本身犹如空洞和裂纹，所以对外加的缺口不敏感。
而且圆整石墨还能切断裂纹的扩展。
铸铁除上述优良性能外，还因铸造方便、资源丰富、成本低廉、价格便宜等优点受到重视，尤其在机械制造工业中，广泛应用铸铁来铸造零件和毛坯。
第二节铸铁的分类铸铁按其中碳的存在形式和石墨的形状分为白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁。
以外还有含合金元素的合金铸铁。
一、白口铸铁白口铸铁，其组织中的碳几乎全部以渗碳体（Fe3C）形式存在，断口呈白亮色，故称白口铸铁。
因为铸铁的含碳量比钢高，生成的渗碳体数量比钢多，所以硬度高、切削加工成零件困难，而且脆性也大，不宜直接使用。
工业上除制造一部分农用机具外，多数是作为炼钢原料或生产可锻铸铁的坯料。
二、灰铸铁灰铸铁，其组织中的碳几乎全部或极大部分以翘曲的片状石墨存在，断口呈灰褐色，如图6－1a所示，故称灰铸铁。
三、可锻铸铁可锻铸铁，共组织中的碳几乎全部或极大部分以软松的团絮状石墨存在，如图6－1 b 所示，因团絮状石墨能吸收震动而使铸铁韧性较好，故称可锻铸铁或韧铁，但并非可以锻造，断口因表层脱碳而呈现外层白亮心部暗灰色。
四、球墨铸铁球墨铸铁，其组织中的碳几乎全部或极大部分以球状石墨存在，如图6－1 c所示。
因球状石墨对基体的割裂作用小，机械性能损失少，所以球墨铸铁是铸铁中机械性能最好的一种铸铁。
第三节铸铁的石墨化及其影响因素从以上铸铁的分类中可知，影响铸铁组织和性能的关键是碳在铸铁中的存在形式，即以渗碳体存在，还是以石墨体存在，此外就涉及到石墨的形状、数量、大小以及分布，而常用铸铁中的碳主要是以石墨形式存在的，碳变成石墨形式的过程称为石墨化。
一、石墨化铸铁的石墨化，是一个比较复杂的过程，它包括从液体中直接结晶出石墨和从固态奥氏体中析出石墨，或者使已形成的渗碳体发生分解，分解出石墨，即：Si缓冷Fe3C →3Fe十C（石墨）由于铸铁的许多优良性能是通过石墨起作用的，所以石墨化的过程就决定了铸铁的性能。
至于碳在铸铁中以何种形式存在，主要取决于铸铁的化学成分和冷却速度，（或石墨化时的温度）。
二、影响石墨化的因素铸铁石墨化的好坏与多种因素有关，其中主要是化学成份冷却速度。
1．化学成分的影响铸铁中除了铁和碳以外还有比钢多得多的硅，以及硫、磷、锰等杂质，其中以碳和硅对铸铁石墨的影响力最大，而硫、磷、锰等杂质也有不同程度影响，以下作一个简单的分析。
（1）碳和硅的影响：碳和硅都是促进石墨化的元素。
其中碳的含量越多，石墨化后形成的石墨数量越多。
而硅的含量越多，越有利于石墨的生成，所以它们都是有利于石墨化的元素。
为了确保铸铁中有一定数量的石墨存在，避免产生白口的倾向，铸铁在浇注前，必须配以足够数量的碳和硅。
目前常用的铸铁，含碳量一般在3.0～4.5％之间，含硅量在1.0～3.0％之间。
碳与硅配合形成的碳当量（C当％＝C％＋0．3Si％），一般近似于4.3％。
（2）硫的影响：硫是强烈阻止石墨化的元素，硫会增强铁和碳生成化合物的能力，容易形成白口。
此外，硫还会降低铁液流动性和造成热裂（脆），所以，硫是有害于石墨化的元素，铸铁中应越少越好。
（3）锰的影响：锰虽然也是阻碍石墨化的元素，会增强铁、碳原子的结合能力。
但锰会首先与铸铁中的硫化合生成硫化锰，从而减弱了硫对石墨化的阻止作用，间接地起着有利于石墨化的作用。
因此，铸铁中的含锰量要适当多些，以有利于石墨化的进行。
（4）磷的影响：磷对石墨化的影响不大。
可是磷会与铁生成脆性的磷化三铁共晶体，分布在晶界上，虽然增加了强度，但会引起脆性。
因此，也应该予以严格控制。
通过上述分析可以知道，只有合理控制铸铁中碳、硅、硫、锰、磷等元素的含量，才有可能获得良好的组织和性能。
有利于石墨化。
2冷却速度的影响铸铁浇注后的冷却速度对石墨化也将产生较大的影响。
冷却速度愈快，析出的石墨愈小。
冷却速度愈慢，析出的石墨愈多，因此，要获得石墨，就应该采用比较缓慢的冷却速度，铸铁件在冷却条件相同的情况下，铸件壁的厚薄起到重要的作用，铸件壁越厚，冷却越缓慢，越有利于石墨化进行，产生白口的倾向就小，壁愈薄，冷速愈快，愈不利于石墨化进行，且容易产生白口。
生产上为了促使石墨化的充分进行，防止产生白口和提高铸铁质量，常合理调整碳、硅，硫，锰的含量。
控制冷却速度，以影响石墨化的过程，改善切削加工性能。
第四节灰铸铁灰铸铁是工业上应用最广泛的一种铸铁。
在各类铸铁中，灰铸铁的产量占80％以上，灰铸铁的铸造性能，切削性能、耐磨性能和消震性能都优于其他铸铁，而且生产方便，成本低、成品率高、资源丰富、所以，被大量用于机床制造、汽车、拖拉机制造和重型机械制造中。
一、灰铸铁的分类与牌号1．铸铁的分类灰铸铁虽然都是由钢的基体和大量翘曲的石墨片所组成，但由于基体钢的组织不同以及石墨片大小细密程度不同分为：1）铁素体基体灰铸铁，如图6－2a；2）铁素体加珠光体基体灰铸铁，如图6－2b；3）珠光体基体灰铸铁，如图6－2c；4）孕育铸铁。
其中孕育铸铁是在浇注前向铁液中加入一定数量的孕育剂（硅铁或硅钙合金），使它们成为石墨的结晶核心，生成细片状的石墨，从而获得具有细、密片状石墨的铸铁，这种铸铁称孕育铸铁。
2．灰铸铁的牌号灰铸铁按国家标准GB5612—85和GB5675—85规定，分为六个等级，编号方法及牌号具体如下：a)铁素体基体b)铁素体-珠光体基体c) 珠光体基体(1)编号方法：有以下两项1）用表示该铸铁特征的“灰”“铁”两字汉语拼音第一个大写正体字母“HT”作为代号;2）代号“HT”，后面加上一组数字，表示该铸铁的最低抗拉强度бb，其单位为N／mm2。
(2)牌号表示举例：如HT100，其中HT表示灰铸铁，100表示抗拉强度бb N／mm2。
常用灰铸铁牌号、性能及用途，见表6－1。
图6－2 灰铸铁组织示意图表6－1 灰铸铁牌号、性能及用途二、灰铸铁的性能及用途灰铸铁除了第一节所述的许多优良性能外，其机械性能主要取决于基体组织的性能，以及石墨片的大小、数量、形状及分布情况。
基体组织主要影响灰铸铁的强度、硬度、耐磨性和塑性。
这是由于存在着石墨而削弱了基体的强度和塑性，使铸铁的抗拉强度和塑性低于相同基体的钢。
因此，正确选择基体组织，并控制石墨的形状、大小、数量和分布情况，是合理使用灰铸铁的关键所在。
HTl00是属于铁素体基体的灰铸铁。
基体强度较低，塑性较好，有一定韧性。
适用于低载荷的不重要零件，见表6－2所列。
HTl50是属于铁素体加珠光体基体的灰铸铁。
由于基体中增加了珠光体组织，使抗拉强度有所提高，所以适用于承受中等载荷的零件，见表6－2所列。
HT200和HT250是属于珠光体基体的灰铸铁，由于基体强度比较高，硬度，耐磨性好，所以适用于承受较大载荷的重要零件，见表6－2所列。
HT300和HT350是孕育铸铁，由于孕育处理改变了石墨的大小，数量和分布情况，获得了以细珠光体为基体，其上面分布着细小而均匀的片状石墨的组织，使它们的强度、硬度、塑性和韧性均比其他牌号的灰铸铁高，所以适用于承受更大载和轻微冲击的重要零件，见表6－2所列。
第五节可锻铸铁可锻铸铁亦称马铁或韧性铸铁。
它是由白口铸铁的坯料，经可锻化退火（亦称石墨化退火）后获得的，其作用是使白口铸铁中的大量渗碳体发生分解，分解为铁和团絮状石墨。
一、可锻铸铁的分类与牌号1．可锻铸铁的分类可锻铸铁，由于采用的可锻化退火的工艺不同，可分为黑心可锻铸铁，珠光体可锻铸铁和白心可锻铸铁三种。
（1）黑心可锻铸铁：黑心可锻铸铁是由白口铸铁的坯料，经完全可锻化退火后得到的铸铁件，因高温时退火和低温下石墨化都能充分进行，所以是组织为铁素体基体的可锻铸铁。
（2）珠光体可锻铸铁：珠光休可锻铸铁是因高温阶段石墨化充分进行而低温阶段（约720～760°C左右）石墨化未能充分进行所形成的，是具有珠光体基体的可锻铸铁。
上述两种可锻铸铁的组织示意图，如图6－3所示，图中a为铁素体基体的黑心可锻铸铁，b为珠光体可锻铸铁。
