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2025-09-29
铸铁试棒直径与抗拉强度及硬度的关系分析
【摘要】：表1-3 不同铸铁试棒直径与抗拉强度的关系图1-1 试样断面上布氏硬度的分布a）普通灰铸铁 b）高牌号灰铸铁灰铸铁的抗压强度通常为其抗拉强度的3～4倍。灰铸铁的自由固态线收缩率约为0.9%～1.3%，受阻收缩率约为0.8%～1.0%，比碳钢和白口铸铁小，原因是灰铸铁有共析石墨化膨胀，而碳钢和白口铸铁没有。
1.制定牌号的依据
GB/T9439—2010标准依据直径ϕ30mm单铸试棒加工的标准拉伸试样所测得的最小抗拉强度值，将灰铸铁分为八个牌号，见表1-1。通常将HT250、HT275、HT300、HT350四个牌号称为高牌号灰铸铁，其余称为普通灰铸铁。
表1-1 灰铸铁的力学性能（GB9439—2010）
（续）
注：1.当铸件壁厚超过300mm时，材料的力学性能由供需双方商定。
2.形状简单、壁厚均匀的铸件，壁厚的变化引起抗拉强度差异时，本表参数可供参考；形状复杂、壁厚不均匀的铸件，本表只提供不同壁厚处大致的抗拉强度值。铸件设计应按关键部位的实测值进行。
3.表中括号内数值为指导性数值。
2.化学成分及金相组织
灰铸铁的力学性能取决于它的金相组织，而金相组织主要受铸铁的化学成分、铸件壁厚和冷却速度等因素的影响。同一铸铁牌号，铸件的壁厚不同时，虽然单铸试样强度一致，但铸件的强度随其壁厚的增大而降低。为消除同一牌号铸件因壁厚不同对铸件强度的影响，灰铸铁的化学成分应结合铸件主要壁厚进行选取，选取范围的推荐值见表1-2。
表1-2 灰铸铁的化学成分及其金相组织
3.性能
石墨的形态、数量、分布与金属基体结构是决定灰铸铁性能的主要因素。其中石墨的影响具有二重性，既有使力学性能降低的一面，又具有赋予铸铁某些优良性能的一面。灰铸铁的力学性能特点是：强度性能较差，缺口敏感性较低，良好的减振性和减摩性。由于石墨的存在，灰铸铁的硬度与抗拉强度之比不像钢一样恒定，而是一个受工艺条件影响的不确定范围。
灰铸铁的伸长率和冲击韧度低于铸钢。高牌号灰铸铁与普通灰铸铁相比，伸长率和冲击韧度相近、组织和性能均匀，断面敏感性小（见表1-3），同一断面上不同位置的硬度均匀性好（如图1-1所示），减振性较差，但耐磨性和抗生长等性能优于普通灰铸铁。
表1-3 不同铸铁试棒直径与抗拉强度的关系
(https://www.chuimin.cn)
图1-1 试样断面上布氏硬度的分布
a）普通灰铸铁 b）高牌号灰铸铁
灰铸铁的抗压强度通常为其抗拉强度的3～4倍。与钢、可锻铸铁等塑性材料相比，在压应力作用下发生破坏前，几乎不产生塑性变形。
相同石墨类型灰铸铁的耐磨性，随着基体中珠光体含量的增加和硬度的提高而增强；随着C型石墨向A型石墨转变，铸铁的黏着磨损减少；随着D型石墨及其伴生铁素体的增加，铸铁的耐磨性下降。
由于片状石墨对基体的割裂，灰铸铁易吸收振动能量，产生晶间塑性变形和位错，使振动快速衰减，因此，灰铸铁具有良好的减振性能。灰铸铁的金相组织越细密，石墨片数量越少、越细小，减振性越差，尤其是共晶过冷石墨使减振性更差。
普通灰铸铁在低于350℃的空气中基本不产生氧化、生长；700℃以下有少量氧化和生长；超过700℃，氧化、生长快速增加。
灰铸铁的耐热疲劳性能一般不如球墨铸铁和蠕墨铸铁。A型石墨、珠光体基体都有利于提高其耐热疲劳性能。在相同强度条件下，石墨量多，灰铸铁热疲劳性能更强。
铸造性能主要是液态时的流动性，降温过程中的收缩性，固态降温过程中产生的铸造应力，表明铸件断面不同位置、不同厚度断面组织和性能差异程度的断面敏感性等。灰铸铁具有良好的铸造性能。高牌号灰铸铁与普通灰铸铁相比，碳、硅含量较低，流动性较差，线收缩和体收缩稍大，弹性模量较高，因而铸造应力较大。
碳当量和过热度是影响灰铸铁流动性的主要因素：碳当量影响铁液的共晶度，凝固温度区间越窄，流动性越好；流动性随着过热度的增加而提高，即使碳当量不同的铁液，过热度相同时，流动性也是相似的。
灰铸铁的液态收缩随着碳量和浇注温度的提高而增大。凝固过程中收缩包含了析出石墨的膨胀。其收缩率εn可用下式表示
εn=6.9%-0.9C-2G
式中 C——铁液含碳量（质量分数，%）；
G——凝固过程中析出的石墨量（质量分数，%）。
灰铸铁的自由固态线收缩率约为0.9%～1.3%，受阻收缩率约为0.8%～1.0%，比碳钢和白口铸铁小，原因是灰铸铁有共析石墨化膨胀，而碳钢和白口铸铁没有。因此，促进石墨化的因素均可减小灰铸铁的固态线收缩。
铸造应力是热应力、相变应力、机械阻碍应力的代数和。灰铸铁的铸造应力随着碳当量的降低而增大。
灰铸铁的断面敏感性较大，原因是断面的冷却速度不同不但影响晶粒的大小，而且影响碳的存在形态和分布，导致铸件不同部位的强度、硬度不同。
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