存在于铁液中的夹杂物要能成为石墨核心必须是：①符合异质晶核与石墨之间的晶格匹配关系。②满足相互的界面能要求。任何形核物质原则上都要遵循成核规律，但具体形核机构可以依据形核物质的不同而不同：

1.石墨由于石墨的失配度为零（见表1），故是石墨结晶时的理想基底材料。铁液中的石墨来源于：

（1）未溶石墨：如生铁重熔过热温度低、停留时间短，原有的粗片石墨来不及彻底溶解而被遗留下来。实验发现，随炉料中的生铁数量增多，球墨铸铁含球墨数也相应增多。

（2）添加的晶体石墨：外加的石墨只要是六方晶格的晶休而不是其他形式的碳都可促使石墨成核。球化处理前或在球化处理同时添加，都能增加石墨球数。但球化后加入则导致石墨变坏、渗碳体增多，因为添加的石墨改变了球化后的铁液界面性能。天然石墨中的灰分妨碍溶解能力，损坏成核的界面能条件从而降低成核效果。

（3）非平衡石墨：孕育剂中的Si元素在铁液中的不均匀分布导致微区Si含量偏高现象，引起局部形成过共晶成分，微区附近出现“碳峰”，析出的石墨称非平衡石墨。这种新生的石墨有很高的活性，它与石墨的失配度为零，故碳原子容易直接在其上沉积析出。另外非平衡石墨也可来源于SiC。碳化硅是一种硅基生核剂，熔点高达2700℃，在铁液中不熔化，只按下列反应式融熔于铁液。

SiC+Fe→FeSi+C（非平衡石墨）

式中SiC里的Si与Fe结合，余下的C即非平衡石墨，作为石墨析出的核心。

2.盐状结构碳化物基底周期表中第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族的一些金属加入到铁-碳-硅熔液中可形成类盐状结构的碳化物，见表1。表中第Ⅱ族元素的碳化物可作为石墨核心，因为它们之间形成的离子键，结合成不熔的质点，悬浮于铁液中。此外，碳化钙与石墨晶格之间存在着良好的匹配关系，CaC₂晶体（111）面间距0.341nm，而石墨基面之间距离为0.335nm，所以，在石墨c轴方向上两个点阵失配度很小。形核时，石墨容易在类盐状碳化物的碳平面上从液体中异质生长，见图1。

图1   碳化物异质形核过程

3.氧化物铁液与大气接触过程中常为氧所过饱和。铁液含Si高（比钢高3~5倍），所以，硅是铁液自身极好的脱氧元素，脱氧产物为SiO₂。Orths认为SiO₂直接控制着灰铸铁中石墨的形成，石墨的结晶在很大程度上由SiO₂(的数量和分布所决定。SiO₂质点数受铁液温度、含氧量、炉气与炉渣成分的影响。

铸铁在熔化过程，铁液-炉衬-炉渣-气相实际上构成一个Fe-C-Si-O熔液体系，如果其中的C、Si、O处于平衡，则可写出反应式：SiO₂+2[C]=[Si]+2{CO}

平衡常数为

在平衡温度以下，生成的固态脱氧产物SiO₂能有效的对石墨起形核作用，因为此时的二氧化硅具有一个可起基底作用的晶质表面。因此，从以氧化物为基底的理论出发，认定在下述条件下可增加石墨核心。

1）铁液中有充足的氧。

2）含有足够的硅量，使含量积［Si］［O］²过剩，以便析出SiO₂。

3）冷却速度不宜太快，保证SiO₂微粒析出的时间。但冷速又不宜太慢，以防使核心聚合、上浮、失效。

4）加入和氧有较大亲和力的元素（Ca、Al、Ba、Ti、Re），提供更多外来晶核起成核催化作用。

5）超过二氧化硅还原的平衡温度50℃，否则铁液中的二氧化硅被还原。

很多试验证明，石墨核心中确实存在有氧化物，也检测到氧的存在，但以SiO₂为代表的单一氧化物是否能直接作为石墨结晶的基底，却有争论。

4.MgS、MnS、CaS与石墨的失配度比较大，单一硫化物很难直接成为石墨沉积的有效基底。Jacobs等人对1μm夹杂进行能谱测定后提出，核心质点具有双重结构，芯部为（Ca、Mg）S型硫化物，外壳是一层（Mg、Al、Si、Ti）氧化物。因很多元素形成硫化物的热力学能位比氧化物稳定，故首先形成硫化物，然后硫化物粒子再作为氧化物形核的基底。两种化合物的晶体位向对应关系：

硫化物（110）//氧化物（111）

硫化物（1TO）//氧化物（2TT）

石墨与氧化物的位向关系：

石墨（001）//氧化物（111）

Skaland对双重结构形核物质深入研究后确定，氧化物外壳的具体成分为顽辉（火）石MgO·SiO₂及镁橄榄石2MgO·SiO₂，它们是复杂的斜方晶系。复式硅酸盐与石墨（0001）面之间的失配度大（见表2）形核势垒高，石墨不易在其上形核。

表2  MgO·SiO₂ ，2MgO·SiO₂的不同晶面与石墨（001）面之间晶格的失配度

Skaland认为：尽管经Mg处理后的铁液产生很多MgO·SiO₂及2MgO·SiO₂基底，但不能期望生成较多的石墨核心。只有经过孕育的铁液，石墨才能大量析出。

当用含有Ca、Ba、Sr及Al的硅铁进行孕育处理后，在夹杂物表面上产生下列反应：MgO·SiO₂ + X = XO·SiO₂ + Mg 

2(2MgO·SiO₂) + X + 2Al = XO·Al₂O₃·2SiO₂ + 4Mg

式中X———Ca、Sr或Ba。

反应产物XO·SiO₂ 和XO·Al₂O₃·2SiO₂等六方硅酸盐在MgO·SiO₂及2MgO·SiO₂形成面晶，其中的高指数晶面与低指数晶面的生长速率不同。晶体的（001）墨形成偶合或半偶合低能界面状况，相互的晶格失配度低，利于石墨形核。图2述了硫化物,氧化物双重结构核心的成核模型。

图2    硫化物, 氧化物核心的双重结构模型

用新建立的双重结构模型不难解释：

孕育剂中少量的Al、CA、Sr、Ba元素可改变MgO·SiO₂  ，2MgO·SiO₂的表面成分，对石墨核心起重要的催化作用；孕育剂中微量的La、Ce并不增加新的核心，只起对已有夹杂物核心的激活作用。

硫化物是双重结构核心的发源地，所以，硫化物数量对成核数有重要影响。铁液中过低的S，如w(S) < 0.002%，则不利于大量核心的形成。

单一的SiO₂ 与石墨晶格的失配度相当大（37.1%），不适于成为核心的基底。但在双重结构中，它是复式硅酸盐的组成部分，对形核起着重要作用。

关于球墨核心物质以及与此相关的形核机制的研究仍在不断深入，Tartera用带显微成分分析的同焦点激光扫描显微镜（CSLM）对稀土镁处理的球墨核心分析证实，双重结构的壳除氧化物外还存在Mg、Ce、La硫化物。

5. Bi及Bi的化合物添加少量单质铋或铋的化合物、可明显增加球墨铸铁的石墨球数。Bi和Bi的化合物的熔点（见表3）均低于铁液温度，它们在铁液中的溶解度极低，固时呈液态以极细小颗粒分布于铁液中。当温度略低于共晶温度，便形成很多新的固7液界面，石墨以此界面为基底，在上面形核析出。冷却速度对液滴合并粗化有重要影响，冷速大的薄壁铸件，液滴不易聚合，所以Bi的核心作用明显增强。经测定，在经Bi处理的球墨铸铁试样中，在φ1μm的异质核心里，发现除Mg、S、Fe、Si，还存在Bi。

如将Be与RE复合添加，Be和RE形成金属间化合物，会减弱它们单独加入时的促进形核作用。