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碳在鐵水中的活度是影響鑄鐵凝固組織的重要因素。白口鑄鐵的碳當(dāng)量較低。在碳活度度低的鐵水中,碳原子活動(dòng)能力差,在鐵水中擴(kuò)散速率低,移位量(特別是鐵原子)很小,鐵水結(jié)晶過冷度大于灰鑄鐵。與石墨的形成比較,石墨含碳量接近100%,形成石墨需要碳原子和鐵原子做較大的遷移,特別是鐵原子在結(jié)晶過程中的擴(kuò)散速率和自擴(kuò)散量是碳、鐵原子進(jìn)行點(diǎn)陣重組、形成新相的控制性因素。如果鐵水碳活度低,鐵原子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)受阻或進(jìn)行緩慢以致不能為構(gòu)成石墨晶體提供足夠的空位,則鐵、碳原子傾向于發(fā)生即位反應(yīng)(化合)生成含碳量為6.67%滲碳體。

    碳在鐵水中的活度很大程度上取決于化學(xué)成分。鐵水中石墨化元素(例如硅)含量低或含有較多碳化物形成元素都會降低鐵水的碳活度,為白口鑄鐵的生成創(chuàng)造條件。

    從熱力學(xué)角度來看,形成滲碳體共晶比形成石墨共晶需要較高的相變驅(qū)動(dòng)力,只有當(dāng)鐵水過冷到較低的溫度,才能獲得形成滲碳體所需的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力。從動(dòng)力學(xué)角度看,形成兩種共晶時(shí),在不同溫度下的晶體生長速度是不同的。生長速度高的晶體是優(yōu)先生成的相組分,只有當(dāng)生長速度高于兩條曲線交點(diǎn)時(shí),滲碳體才能成為優(yōu)勢生長晶體。這個(gè)交點(diǎn)溫度略低于滲碳體共晶轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)鐵水以較快速度冷卻時(shí),就能促使?jié)B碳體在較低溫度下形核和生長;實(shí)踐證實(shí),鐵水冷卻速度、鐵水過冷度和滲碳體共晶生成傾向,幾乎是成比例增加的。

    高冷速、高過冷度是促進(jìn)鐵水產(chǎn)生白口組織的重要條件。

    在非平衡條件下凝固時(shí),亞共晶成分鐵水在共晶轉(zhuǎn)變前都已經(jīng)存在一些先共晶奧氏體。近代研究發(fā)現(xiàn),甚至共晶成分鐵水和稍過共晶成分鐵水中也可能存在先共晶奧氏體。先共晶奧氏體表面的晶體缺陷可以容納一些由周圍富碳鐵液擴(kuò)散而來的碳原子,這些晶體缺陷部位也可能成為滲碳體形核位置。先共晶滲碳體和共晶滲碳體可能在這些位置上依附奧氏體晶體生長。也就是說,先共晶滲碳體可能直接在先共晶奧氏體外的熔液中形核和生長。當(dāng)鐵水溫度降低到低于滲碳體共晶轉(zhuǎn)變開始溫度時(shí),滲碳體形核位置顯著增加,滲碳體晶體將成批地在奧氏體表面析出。它將沿[010]晶向優(yōu)先生長,大量生長使鄰近晶體的熔液碳濃度降低,為共晶奧氏體的形成創(chuàng)造了條件。這說明在兩相共生長的過程中,滲碳體晶體起的作用,即共晶滲碳體共晶奧氏體生長,形成滲碳體共晶。

當(dāng)數(shù)量的先共晶奧氏體,而且鐵水過冷度較大(在更快冷速下進(jìn)行共晶轉(zhuǎn)變),則傾向于形成含有板條狀滲碳體的共晶組織。

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                 2022年8月29日