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铬对铸铁组织和性能的影响
吴德海;王怀林;张伯明
【期刊名称】《铸造工程》
【年(卷),期】2023(47)2
【摘要】介绍了铬元素的理化性能和Fe-Cr、Fe-Cr-C平衡相图的区域分布及特征,综述了铬对铸铁组织和性能的影响情况。
随着含铬量的增加,稳定系和亚稳定系铸铁共晶温度之间的差距变小,易使铸铁形成白口组织;铬强烈形成碳化物,不仅在铸铁共晶转变时反石墨化促使形成白口组织,而且在共析转变时也反石墨化促使形成珠光体组织。
在普通灰铸铁中,抗拉强度和硬度都随含铬量的增加提高,一般每增加0.1%的铬量,可使抗拉强度提高3%~4%、硬度大约提高10 HBW,但含铬量不应超过0.5%;对于高铬白口抗磨铸铁,含铬量超过12%,形成Cr_(7)C_(3)型碳化物,它的硬度比渗碳体(Fe_(3)C)要高,因而有更高的抗磨性能;对于球墨铸铁,加铬可使珠光体中的渗碳体稳定,退火后可得到粒状珠光体组织,在抗拉强度不变的情况下,除硬度有所下降外,伸长率和冲击韧性均有增高。
此外,少量的铬可阻碍铸铁内、外表面的氧化。
【总页数】11页(P23-33)
【作者】吴德海;王怀林;张伯明
【作者单位】清华大学机械工程系;一汽铸造有限公司;中国铸造协会
【正文语种】中文
【中图分类】TG143
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清华大学《工程材料》第5版教材简介《工程材料》第5版教材由清华大学材料学院朱张校教授、姚可夫教授主编，清华大学出版社出版。
《工程材料》第5版教材目录如下：绪论0.1中华民族对材料发展的重大贡献0.2材料的结合键0.3工程材料的分类第1章材料的结构与性能特点1.1金属材料的结构与组织1.2金属材料的性能特点1.3高分子材料的结构与性能特点1.4陶瓷材料的结构与性能特点第2章金属材料组织和性能的控制2.1纯金属的结晶2.2合金的结晶2.3金属的塑性加工2.4钢的热处理2.5钢的合金化2.6表面技术第3章金属材料3.1碳钢3.2合金钢3.3铸钢与铸铁3.4有色金属及其合金第4章高分子材料4.1工程塑料4.2合成纤维4.3合成橡胶第5章陶瓷材料5.1普通陶瓷5.2特种陶瓷第6章复合材料6.1复合材料的复合原则6.2复合材料的性能特点6.3非金属基复合材料6.4金属基复合材料第7章功能材料及新材料7.1电功能材料7.2磁功能材料7.3热功能材料7.4光功能材料7.5隐形材料及智能材料7.6纳米材料第8章零件失效分析与选材原则8.1机械零件的失效8.2机械零件失效分析8.3机械零件选材原则第9章典型工件的选材及工艺路线设计9.1齿轮选材9.2轴类零件选材9.3弹簧选材9.4刃具选材第10章工程材料的应用10.1汽车用材10.2机床用材10.3仪器仪表用材10.4热能设备用材10.5化工设备用材10.6航空航天器用材附录1金属材料室温拉伸试验方法新、旧国家标准性能名称和符号对照表附录2金属热处理工艺的分类及代号(摘自GB/T 12603—2005) 附录3常用钢的临界点附录4钢铁及合金牌号统一数字代号体系(摘自GB/T 17616—1998)附录5国内外常用钢号对照表附录6常用铝及铝合金状态代号与说明(摘编自GB/T 16475—2008)附录7若干物理量单位换算表附录8工程材料常用词汇中英文对照表参考文献本教材有以下特点：（1）体系科学合理，内容丰富新颖，实例丰富。
2021年第5期/第70卷专访FO U N D R V621熊守美简介：熊守美（1966-),男，1992年博士毕业于清华大学铸造专业，先后获学士、硕士和工学博士学位「现任清华大学材料学院教授、博士生导师，教育部先进成形制造重点实验室副主任。
兼任中国机械工程学会铸造分会副理事长，《铸造》《China Foundry》和《特种铸造及有色合金》杂志编委会副主任3曾任国际标准化组织铸造机械委员会(丨SO/TC3()f,)主席（2017-2019),第1U届环太平洋铸造与凝固过程模拟国际会议大会主席（MCSP2017, Beijing, C h in a)。
入选2004年度教育部“新世纪优秀人才支持计划”，获福特汽车公司2011)Technical Achievement Award o f Ford Research and Advanced Engineering奖，获2IU7年中国铸造行业突出贡献奖主要从事铝、镁合金高致密度（高真空、充氧及超低速）压铸成形技术，压铸铝合金、镁合金材料开发，集成计算材料工程U C M E),压铸过程建模仿真技术等研究开发工作.1作为负责人先后承担国家重大专项项目1项、子课题1项，国家科技支撑项目专题2项，863计划1项，973计划专题1项，国家自然科学基金项目4项，国际合作项目多项获奖成果4项，其中国家教育部科技进步二等奖2项（2019年，第1完成人；I9%年，第3完成人）、一等奖1项（1999年，第5完成人），北京市科技进步二等奖1项（2002年，第2完成人）。
出版专著丨部，参编专著1部，主编出版《中国材料工程大典》第19卷第6篇。
发表学术论文3(_丨0余篇，其中S C I收录〗63篇、E I收录155篇，获国家发明专利15项、计算机软件注册权登记7项为压铸之美，奋揖笃行守初心—访中国机械工程学会铸造分会副理事长、清华大学熊守美教授随着我国经济的飞速发展，压铸市场的空间不 断扩展，在汽车、机械、电子、通讯、数码影视、军工等行业的需求逐年增加，各类压铸件产品的出 口量也在大幅增加，极大地激发了压铸市场的迅速 扩展，使压铸生产的规模和产业结构发生了变化。
第7章强度失效分析与设计准则7-1对于建立材料在一般应力状态下的失效判据与设计准则，试选择如下合适的论述。
(A) 逐一进行试验，确定极限应力； (B) 无需进行试验，只需关于失效原因的假说； (C) 需要进行某些试验，无需关于失效原因的假说； (D) 假设失效的共同原因，根据简单试验结果。
正确答案是 D 。
7 — 2对于图示的应力状态(；「x ,y )若为脆性材料，试分析失 效可能发生在： (A) 平行于x 轴的平面； (B) 平行于z 轴的平面； (C) 平行于Oyz 坐标面的平面；(D) 平行于Oxy 坐标面的平面。
正确答案是 C 。
7— 3对于图示的应力状态，若：「y -；「x ，且为韧性材料，试根据 最大切应力准则，失效可能发生在： (A) 平行于y 轴、其法线与x 轴的夹角为45°的平面，或平行 于x 轴、其法线与y 轴的夹角为45°的平面内； (B) 仅为平行于y 轴、法线与z 轴的夹角为45°的平面； (C) 仅为平行于z 轴、其法线与x 轴的夹角为45°的平面；(D) 仅为平行于x 轴、其法线与y 轴的夹角为45 °的平面。
正确答案是 A 。
7— 4铸铁处于图示应力状态下，试分析最容易失效的是： (A) 仅图c ；(B) 图a 和图b ； (C) 图a 、b 和图c ； (D )图 a 、b 、c 和图 do习题7-4、7-5图正确答案是 C o7—5低碳钢处于图示应力状态下，若根据最大切应力准则，试分析最容易失效的是: (A) 仅图d ； (B) 仅图c ；(C) 图c 和图d ； (D )图a 、b 和图do 正确答案是 B o解:7— 6韧性材料所处应力状态如图所示， 根据最大切应力准则, (A ) W ，. =2;「/3 ；(B ) ；_-：：： .，. =4;「/ 3 ；(C ) -■；(D ) 匚：..，；「=2 /3 o正确答案是 A o解：左图：；二3 h ；：'： .2 . (1)_c门-:二 二-(Y) _:・「32 2所以图c 最危险右图：厂-；「，；「- .， C -二；「「3 . ( 2)试分析二者同时失效的条件是: 习题7-6图(3)(由(1)，此式舍去) 由(1)、(2)， CT +T =V CT 2+4^ 3二 ，显然匚-. 2选：Ao注：原题供选择答案(D )矛盾，现改为：(D );「：：： .，；「-2,3 7 — 7承受内压的两端封闭的圆柱状薄壁容器由韧性材料制成。
工程材料思考题参考答案第一章金属的晶体结构与结晶1．解释下列名词点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，单晶体，多晶体，过冷度，自发形核，非自发形核，变质处理，变质剂。
答：点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间隙原子、置换原子等。
线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。
如位错。
面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。
如晶界和亚晶界。
亚晶粒：在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，它们相互镶嵌而成晶粒，称亚晶粒。
亚晶界：两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。
刃型位错：位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。
滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。
如果相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。
单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体。
多晶体：由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。
过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。
自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。
非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。
变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。
变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。
2.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Pb 、Cr 、V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？答：常见金属晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格；α－Fe、Cr、V属于体心立方晶格；γ－Fe 、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格；Mg、Zn属于密排六方晶格；3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题？答：用来说明晶体中原子排列的紧密程度。
球墨铸铁件表面缺陷清华大学于震宗引言球墨铸铁件的缺陷分为表面缺陷和内在缺陷两大类，后者即有关金属材质方面的缺陷，不属于本文范围内。
本文内容重点是砂型铸件的表面缺陷，包括用湿型砂、水玻璃砂、树脂砂等砂型和砂芯生产的铸件。
砂型球墨铸件的表面缺陷有多种，本文仅选择①粘砂，②砂孔和渣孔，③夹砂，④气孔，⑤胀砂、缩孔和缩松等缺陷进行讨论。
有的缺陷如灰班虽然发生在铸件表面上，而产生原因完全属于材质方面，则不包括在本文内：一. 球墨铸件气孔缺陷气孔是最难分析其形成原因和最难找出防治方法的铸件缺陷。
这是因为气孔的形成原因很多，从外观上又不易分清气孔是属于那种类型的。
虽然采用扫描电镜和能谱等微观分析方法有助于估计气孔的产生原因，但是这些先进的技术都还处于研究阶段，大多数铸造工厂尚难在生产中利用。
根据气孔发生机理，可分为裹入、侵入、析出和反应四类气孔。
其中裹入气孔是浇注时金属液中裹带着空气泡，随着液流进入型腔中而产生的气孔缺陷。
侵入气孔是铸件表面凝固成壳以前，砂型、砂芯等造型材料受热产生的气体侵入金属液中，形成气泡而产生的气孔球铁铸件最常遇到的气孔缺陷是反应气孔和析出气孔。
以下将分别讨论：1. 析出气孔金属液中溶解的原子态氢、氮气体元素，随金属温度下降而溶解度逐渐减小。
下降至结晶温度或凝固温度时，溶解度突然变小，氢、氮以分子态气相析出形成气泡，使铸件产生气孔，称为析出气孔。
生产铸铁的工厂中，最常见的析出气孔是使用树脂砂型和砂芯造成氨氮气孔，也有来自炉料和增碳剂的氮气孔。
①氨氮酚醛树脂覆膜砂的硬化剂为乌洛托平（六亚甲基四胺(CH2)6N4）。
铸铁件用热芯盒呋喃树脂含有尿素（CO(NH2)2）。
硬化剂用含有尿素和NH4Cl的水溶液。
冷芯盒和自硬砂用酚醛脲烷树脂的聚异氰酸酯组分中含有-RNCO基团。
上述树脂砂都含有多少不等的氨或胺，都是引起析出气孔的根源。
所含氮不同于空气中的氮，大气中78％是由氮组成，并不引起析出气孔缺陷。
1.用下述三种方法制成齿轮，那一种方法较为理想？为什么？（1）用厚钢板切出圆饼，再加工成齿轮；（2）由粗钢棒切下圆饼，再加工成齿轮；（3）由圆棒锻成圆饼，再加工成齿轮。
2.冷加工与热加工后的金属能否根据其显微组织加以区别？为什么？3.铜只能通过冷加工并经随后加热才能细化晶粒，而铁则不需要冷加工，只需加热到一定温度即可细化晶粒，分析两者差别的原因。
1.用下述三种方法制成齿轮，那一种方法较为理想？为什么？（1）用厚钢板切出圆饼，再加工成齿轮；（2）由粗钢棒切下圆饼，再加工成齿轮；（3）由圆棒锻成圆饼，再加工成齿轮。
2.冷加工与热加工后的金属能否根据其显微组织加以区别？为什么？3.铜只能通过冷加工并经随后加热才能细化晶粒，而铁则不需要冷加工，只需加热到一定温度即可细化晶粒，分析两者差别的原因。
1. 共析钢加热到相变点以上，用图1 的冷却曲线冷却，各应得到什么组织？各属于何种热处理方法？（工程材料习题与辅导，P14，第26题）2. T12钢加热到Ac1以上，用图2 的各种方法冷却，分析其所得到的组织。
（旧版工程材料习题与辅导，P 23 ，第22题）3. 残余奥氏体对钢淬火后的性能有何影响？用什么方法可以减少残余奥氏体的数量？[思考题]1. 淬硬性和淬透性有什么不同？决定淬硬性和淬透性的因素是什么？2. 淬火内应力是怎样产生的？它与哪些因素有关？1. 共析钢加热到相变点以上，用图1 的冷却曲线冷却，各应得到什么组织？各属于何种热处理方法？（工程材料习题与辅导，P14，第26题）2. T12钢加热到Ac1以上，用图2 的各种方法冷却，分析其所得到的组织。
（旧版工程材料习题与辅导，P 23 ，第22题）3. 残余奥氏体对钢淬火后的性能有何影响？用什么方法可以减少残余奥氏体的数量？[思考题]1. 淬硬性和淬透性有什么不同？决定淬硬性和淬透性的因素是什么？2. 淬火内应力是怎样产生的？它与哪些因素有关？1. 出现下列不正常现象时，应采取什么有效措施予以防止或改善？a. 灰铸铁磨床床身铸造以后就进行切削, 在切削加工后出现不允许的变形。
