灰铸铁微观偏析特点

1．偏析倾向严重铸铁内含有较多的溶质元素，元素的相互作用加大了铸铁的偏析程度。Mn、Cr、V、W、Mo等正偏析元素被凝固的固相推向LTF区，与LTF区中的碳相结合，进一步加重微观偏析。钢常存的溶质元素(如Si、C、Mn、S、P)明显低于铸铁，因而偏析倾向比铸铁小。例如，Cr在钢中的K_a=0.94，而在铸铁中可达到K_a=0.70。

2．元素的分布复杂铸铁的溶质元素含量大、凝固组织种类多使元素分布变得复杂。例如：亚共晶灰铸铁的初生奥氏体与共晶奥氏体虽都是奥氏体组织，但两者的偏析系数K_a不同。在一个共晶团内溶质元素的浓度也是极不均匀的，这可从图1的颜色差别看出；另外，枝晶不仅在横截面上存在偏析，长度方向也存在成分差异(见图2)。

图1  共晶团内的偏析

(白灰色小区最后凝固，含正偏析元素高)

3．存在反偏析特性  对于大多数工程合金的元素偏析均表现为正偏析。铸铁则不同，

图2  枝晶的偏析

a)横截面上的偏析  b)长度方向上的偏析

除正偏析外，还有一部分元素凝固时显示出反偏析属性。灰铸铁中的溶质元素被分成正偏析与反偏析两大类：

正偏析元素-Mn、Cr、V、Mo、W、P、S等

反偏析元素-Si、Al、Cu、Ni、Co

不难看出，各元素的偏析特性与它们的石墨化能力、形成碳化物的倾向有密切关系(P、S除外)。正偏析元素主要是碳化物形成元素；反偏析元素则是强烈的石墨化元素。

铸铁中硅及其他石墨化元素的反偏析行为是由于铸铁含有较高的碳、硅量所引起。低碳钢是含碳、硅量偏低的Fe-C-Si系三元合金，在组成它的Fe-C、Fe-Si二元合金中，溶质元素C、Si的分配系数K_a<1。凝固时，根据溶质再分布原理，虽然C、Si也要分布于液相，但C、Si偏析到液相的数量相对较少，Si←→C相斥力的能量不足以破坏系统中固相晶粒富Fe，液相富碳、富硅的分布特点。然而，对于C、Si较高的铸铁则不同，Fe-C-Si系中硅的分布按另一种方式进行。此时，由于C、Si浓度提高，Si←→C相斥力大为增强，Si从富C的微小体积中被置换出来，被C排斥出液体优先进入Fe相。随枝晶(或共晶团)的长大，Si不断固溶于奥氏体，液相中的Si量却逐渐减少，由原先的正偏析转成反偏析，而C的微观偏析符号仍保持不变。在液相中Si被C排斥而不是C被Si排斥的原因在于：Si的3s3p轨道上的价电子离核心更远，并且被它的(K、L)两个内层所屏蔽，而C只有一个(K)屏蔽层。因此，与Fe形成化学键时，Si比C更有优势。硅在Fe-C-Si合金中偏析方向的转变与碳含量有密切关系，见表1。当w(C)>0.35％时，K_a>1，硅转成反偏析。当Si量升高时，临界含C量也随之提高。

表1  硅的偏折系数K_a与碳含量的关系

只要碳的质量分数小于0.35％，硅的偏析与含量无关，均表现为正偏析。铜、镍、钻、铝的反偏析行为，是由于这些元素与铁形成的原子键远比有碳存在的Fe-Fe键强，Al、Cu、Ni、Co与Fe形成固溶体的热力学位显得更稳定。