材料与社会 第二章 金属材料.docx
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材料与社会 第二章 金属材料.docx
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材料与社会第二章金属材料
第二章金属材料
如果有人问:
“什么金属与我们的生活关系最密切?
”那么,人们会不加思索、异口同声地说:
“钢铁!
”生活在文明发达的21世纪的人们,对于钢铁已经是非常熟悉的金属材料了。
它是经济建设中最重要的金属材料。
无论是工农业生产、国防建设以及日常生活都离不开它。
可是关于它的发现、发明和数千年来的发展经历未必人人皆知。
恩格斯曾经说过:
“铁已在为人类服务。
”“铁在历史上起革命作用”;“铁使人有可能在广大面积上进行耕作……”;“它所给予手工业者的工具,其坚牢而锐利程度,是无论什么石头或当时所有的任何金属都不能与之匹敌的。
”既然钢铁对人类社会进步和科学技术发展起了巨大的推动作用,了解并熟悉它的发展规律,这对我们物质文明和精神文明建设者将是非常必要的。
铁是元素周期表中第Ⅷ族(类)元素,原子序数26,银白色,密度7.86g/cm3。
纯铁可用氢气使氧化铁还原而得。
一般来说,铁是不会极纯的,其中总含有杂质。
工业纯铁的杂质含量为0.1-0.2%。
纯铁的熔点是1535℃,在1392℃和911℃有两种同素异形体,变化过程是:
δ-Fe→γ-Fe→α-Fe
其中δ-Fe和α-Fe均是体心立方晶格结构,γ-Fe是面心立方晶格结构。
平时人们所讲的铁,实际是生铁。
而钢在元素周期表中是不存在的。
钢与铁都是合金,是由Fe、C、Si、Mn、P、S等元素组成的。
钢与铁的差别在于含C量的不同:
铁中C的含量>2.11%;钢中C的含量<2.11%。
有色金属是相对黑色金属而言的。
黑色金属主要指铁、钢,所以有色金属也被称为非铁金属。
有色金属可以分为轻金属(铝、镁、钛等)、重金属(铜、铅、锌、锡等)、贵金属(金、银、铂等)、稀土金属及稀有金属(锂、铍等)五大类。
常用的有色金属有铝、铜、镁、锌、锡、钛等。
第一节铁
一、陨铁——从天上掉下来的铁
(一)陨铁的发现
地壳中储藏的铁量比铜多得多,前者大约是后者的5000倍,但铁的使用历史却比铜迟得多,我们的祖先在六千余年以前就开始认识了铜,而且已用它来制造器具,而铁仍沉睡在地壳里。
这是因为不少铜以自然铜(单质铜)形态存在于地表,很容易被人们发现和利用。
而铁是混杂在多种矿石中共生,主要是赤铁矿、褐铁矿、磁铁矿、菱铁矿等,必须经过复杂的高温还原反应,才能把铁从铁矿石中分离还原出来。
这种技术上的难点,在六千多年前是难以解决的。
但是,宇宙给人类送来了最早的铁——陨铁,从天上掉到了地球上,祖先们为了生产和生活的需要,终于找到和利用了这些陨铁。
所以陨铁就是人类最先认识的铁。
从天上掉下陨铁,这是一个自然现象。
从古至今,天上不知有多少陨石落在了地球上,有大到无法搬动的大陨石,也有小的陨石雨。
陨石按成分可以分为三类:
第一类是普通陨石,它由硅酸盐矿物(橄榄石、辉石等)组成;第二类是石铁陨石,它主要成分由约各占50%的铁镍和硅酸盐类组成,这类陨石在地球上很少发现;第三类是陨铁,它的主要成分是铁镍,铁含量一般在98%以上,镍含量在4%~20%之间,所以很容易鉴别,因为地球上没有那种矿石能够通过直接熔炼提供含量这么高而且成分均匀的镍。
陨铁的化学成分如下:
M4%~20%(大部分在5%~10%)
Co0.3%~1.0%(大部分在0.4%~0.5%)
Cu0.01%~0.05%
P0.01%~1.2%(大部分在0.1%~0.3%)
S0.001%~0.6%(大部分在0.2%~0.6%)
C0.006%~0.2%(大部分在0.01%~0.2%)
据估算,地球上的陨铁在250t以上,基本上都是可熔炼的。
地球上已发现了许多巨大的陨铁。
在美国纽约自然历史博物馆里陈列着一块名为“巨屋”的巨大陨铁。
这是1818年,美国人约翰·罗斯在北极发现的。
他率领的探险队到了爱斯基摩人居住地,看到了一座大铁山——陨铁。
当地人已用此铁山的铁来制作小刀、渔叉尖等工具。
美国人想把这座大铁山运回美国,但是由于当时运输技术的限制,他们用了许多办法,整整花了79年的努力,才达到了目的。
在我国,也发现过许多大块陨铁,其中一个典型例子是在广东省博物馆陈列着的大陨铁。
此陨铁是在该省曲江地区发现的,它被埋在稻田深坑中,被挖掘出后被误认为是太平天国军队炼钢铁时的遗场。
后经分析发现,它是一块含有12种元素的陨铁。
(二)世界各地使用的陨铁工具
世界上许多文化发达较早的文明古国和民族,都有过使用陨铁制作器具的历史。
由于陨铁在冷锻时有明显的晶面破裂,所以古人采用退火或热锻的方法来制取工具。
此工艺与用自然铜制取工具时的工艺一致。
在公元前3500年埃及前王朝时期,就有了含镍7.5%的陨铁做的铁珠,这些铁珠在开罗南80公里的格尔策被发现;在北美,爱斯基摩人发现且使用了陨铁工具。
印第安人,如墨西哥的阿兹特格部落、秘鲁的印卡人、卡尤坦的马亚人等,都有使用用陨铁制作的箭刀、小刀和其他工具。
(三)我国对陨铁的使用历史
在商代我们的祖先已有了陨铁制取器具的己录。
其中典型的例子就是出土文物中发现的铁刃铜钺和铁援铜戈。
河南浚县出土了商末周处的两件镶铁的铜兵器。
在铁刃中留有高镍和低镍的铁粒,而在铜戈的铁援上残留着铁的晶粒体,这是锻打陨铁时留下的。
但令人遗憾的是,这两件文物在解放前被人盗卖到了美国,然而历史的事实是无法改变的。
1972年,我国发生了一件轰动冶金界和考古界的事件。
在河北省藁城县的商代遗址发现了一件铁刃铜钺。
该钺残存长111mm,宽85mm,铁刃宽60mm,铜身夹住的部分厚2mm,而铜的外面部分已经断失。
此兵器是公元前1400多年制成的。
如果当时就可以进行人工冶铁的话,那么我国冶铁历史就会产生惊人的提前。
但是经过鉴定后,发现此铁刃不是人工冶铁,而是陨铁。
因为铁刃中未发现人工冶炼必然带有的硅酸盐之类的夹杂物,而且存有的高镍和低镍层状分布只能产生于冷却极为缓慢(每100万年冷却0.5~500℃)的过程中,铁刃的材料只能从陨铁中获取。
尽管如此,这件重要文物还是给我们带来了不小的兴奋,它反映了商代的奴隶们高超的工艺水平,他们利用了铁的韧性,把陨铁锻打成厚2mm、宽60mm的薄片,令人赞叹不已。
值得注意的还有一件陨铁制品。
1990年,河南三门峡上村岭出土了5件西周晚期铁器件,其中有3件是镶嵌在铜柄上的铁刃。
这些铁器件表面腐蚀比较严重,最初也曾被误认为是人工冶炼的铁,后经鉴定,判定是用陨铁制成的铁器件。
二、人工冶铁的起源与发展
世界各地出现人工冶铁的年代早晚不一。
当一个地方具备了创造某种冶金技术的地理条件和历史条件时,就有可能使用某种冶金技术。
已知人工冶铁最早的制品,是在两河流域北部、靠近土耳其的ChagarBazar镇所出土的一支匕首柄,其年代是在公元前2700年左右。
小亚细亚(今土耳其境内)的赫梯,在公元前2000年出现了铁犁,并且出现了“铁匠”的名字,他们所以很早就发现和使用了铁具,是因为该地区的铁矿石特别多,而铜资源又非常少。
小亚细亚东部有一个小国叫乌拉尔国,在公元前1000年就开始了冶炼铁,而且铁的锻造技术已掌握得很好。
古埃及在公元前663年~公元前525年的约当二十六王朝也进入了铁器时代。
希腊人在著名的“荷马史诗”中多次提到了铁的使用,说明当时希腊人也已经掌握了冶铁技术并使用铁器了。
意大利也是古代文明发达较早的国家之一,它在公元前1000年就开始进入铁器时代,到了公元前700年铁器的使用已经很普遍了。
四大文明古国之一的印度在公元前四世纪,已普遍应用铁器了。
我国的人工冶铁,进入铁器时代在世界上虽然并不是最早的,这一点与青铜的铸冶很相似。
但是世界上大部分地区早期使用的炼铁方法,是低温固态还原法,亦称块炼法,而我国炼铁方法有一个很突出的优点,即在发明和使用块炼法的不久,就发明了高温液态还原法来制取生铁。
从冶金的技术角度分析,高温液态还原法比低温固态还原法水平高得多,欧洲直到公元14世纪才从中国学会了高温液态还原法进行冶铸。
生铁冶铸技术的发明具有重大的历史意义,以后2000多年的传统钢铁生产,也是以生铁冶铸为基础的,它促进了人类社会的进步,在世界物质文明史上有积极的作用。
三、我国人工冶铁技术的发明和发展
我们的祖先可能在砌造炼铜炉时,偶尔使用了铁矿石或含铁的铜矿石作为筑炉材料。
在炼铜过程中,有时因炉温较高,偶尔可能得到铁或铜铁混合物。
特别是青铜时代晚期,造就了一批技术高超的冶铜工匠,他们掌握了较复杂的金属冶炼和制作过程,当他们在炼铜时偶尔发现铁以后,看到了铁的优良特性,便有意识地把铁矿石进行单独熔炼,从而开始了人工冶铁的历史。
我国发明和使用铁与铁器起始的确切年代,长期以来一直为学术界研讨的课题,现在还难于做出肯定的结论。
基本观点是在春秋中、晚期,到了战国时代有了较大的进步。
(一)炼铁工艺的进展
与世界各地的冶铁工艺一样,我国最早的冶铁技术采用的是低温固态还原法(块炼法)。
它是在地下或地面用石头或粘土修筑较低矮、结构较简单的炉子,用木炭或木材作燃料和还原剂,用小型皮囊送风,或者采用自然通风,让富铁矿石在较低的温度下(约1000℃),使铁的氧化物还原成固态海绵铁,这种铁的含碳量很低,几乎不含硅、锰等元素。
结构疏松、多孔隙,混杂有许多夹杂物(未还原的氧化铁、硅酸盐等)。
这种铁硬度甚低,甚至比青铜还要软。
它需反复加热锻打,排挤渣滓;或者把渣铁混合物破碎。
把铁粒挑出,对铁粒再加热锻打,最后得到质地较致密但夹杂物含量较高的熟铁(块炼铁)。
用此种方法冶铁的温度低,需要毁炉取铁、反复锻打,费工费时。
随着封建社会生产的日益增长,对铁的需求量大为增加,块炼铁已无法满足此要求。
我们的祖先根据春秋时期已具有的炼铜竖炉和大的鼓风动力经验,创造了高温液态还原法。
此冶铁工艺是把炉子筑砌成较高大的竖炉,把木炭作燃料和还原剂,炉内上升的还原性煤气流与矿石能有较充分的接触,能对矿石进行预热。
随着送风皮囊增大、送风管数目增多,提高了送风强度,提高了炉内温度,在约1200℃的温度下使铁矿石还原,并使铁水增碳效果获得改善,可以得到含碳量为4.3%左右的熔融生铁。
这样的铁水可以直接浇成铸件或锭块。
此工艺的优点是铁与渣分离较好、杂质减少,而且可以采用半连续操作方式,因此此种炼铁方法效率高、成本低,制得的铸件或锭块质量较好,至今仍是世界上最重要的炼铁方法。
(二)我国早期的铁器
春秋战国时期,我国就有了早期铁器制作的记录。
约在公元前十一世纪,鲁国国君在讨伐淮夷、徐戎誓师中写道:
“备乃弓矢,锻乃戈矛,砺乃锋刃,无敢不善。
”它的意思是说在出征打仗前要把武器锻打并磨锐。
《诗经·大雅·公刘篇》中也记着“取厉取锻”的词句,也就是要把工具锻好磨快的意思。
这里写的锻打很可能就是指锻铁。
因为,虽然青铜武器也可以经锻造来增加硬度,但在春秋时代用青铜来做宫廷用具和礼具已感到不够用,所以用青铜制武器的可能性是极小了。
公元前513年《春秋左氏传》中写道:
“冬,晋赵鞅、荀寅帅师城汝滨,遂赋晋国一鼓铁,以铸刑鼎,著范宣子所为刑书焉。
”表述了晋国时就铸成了有刑书的大铁鼎,一部刑法条文铸在一只鼎上,这只鼎肯定较大。
这也是我国铸铁技术的早期记载。
春秋战国时代干将铸剑的故事是众所周知的:
“干将作剑,采五山之铁精,六合之金英,……而金铁之精不销沦流,……如是干将之妻断发剪爪,投之炉中,鼓风吹碳,金铁乃濡,遂以成剑。
”
青丝与指甲的加入能起什么作用呢?
主要是增加了铁中的含磷量,随磷量的提高,可以降低铸铁的熔点,提高铁水的流动性,以使铁器成型完整。
春秋战国时期出土的铁器已经为数不少,已成为我国早期铁器的见证。
湖南在春秋战国时期属强盛的楚国,铁器铸造业也较为进步。
在长沙就出土了许多当时制作的铁器,有铁削、铁锄等;在常德地区也发现了春秋时代的铁削。
江苏六合程桥出土了一颗铁丸和一根铁条。
说明了春秋战国时期,我国南方也有了人工冶铁例子。
另外,在甘肃、陕西、河南发现的早期铁器多为铁剑、农具,到了春秋晚期出现了铁鼎以及铁锥、铁凿等手工工具。
新疆地区早期铁器有装饰件和刃具。
表2-1和表2-2分别列出了春秋战国时期的铁器及新疆地区出土的早期铁器。
表2-1春秋战国时期的铁器
出土地名
器名
时代
参考文献
河北满城要庄H46
锥形铁器
西周晚期
《中国考古学年鉴》(1984)
陕西陇县边家庄
铜柄铁剑1
春秋早期
《文物》,1988(11)
陕西风翔南指挥秦公一号大墓
铁铲10
春秋晚期
《中国考古学年鉴》(1987)
湖南常德德山M12
刮刀l
春秋晚期
《考古》1959(12)
湖南长沙龙洞坡M826
刮刀1
春秋晚期
《文物参考资料》1954(10)
湖南长沙杨家山M05
钢剑、刮刀、铁鼎各l
春秋晚期
《文物》1978(10)
湖南长沙识字岭M314
锄1
春秋晚期
《长沙发掘报告》1957
湖南长沙窑岭M15
铁鼎1
春秋战国之际
《长沙发掘报告》1957
湖南长沙
锸削(件数不详)
春秋晚期
《考古学报》,1959(l)
湖南信阳长台关M1
带钩(错金)5
春秋战国之际
《文物参考资料》1957(9)
江苏六合程桥M1
铁丸1
春秋晚期
《考古》1965(3)
江苏六合程桥M2
铁条1
春秋晚期
《考古》1974
(2)
表2-2新疆出土的早期铁器
出土地
器名
时代
哈密焉不拉克墓
刀、剑、戒子各1
略晚于公元前1000年
乌鲁木齐轮台群巴克墓
小刀2
约公元前810年及680年
塔什库尔干香宝宝墓地
指环、小刀、管各1
约公元前715年及555年
新源铁木里克
包金铁器1
约公元前645~240年
我国早期的铁器,有经过锻打而成的,也有经铸造而成的,这说明了我国在发明块炼铁的同时,或先后不久就发明了高温液态还原法来制取生铁。
(三)我国冶铁术的发展
我国在春秋战国之交已进入铁器时代。
从战国到西汉中期是以铸铁为主,生、熟铁并用且发展的年代。
铁范铸造、铸铁柔化和块炼铁渗碳成钢是战国时期冶铁术的主要成果。
西汉晚期我国完全进入铁器时代。
一直到魏晋南北朝,是我国制钢业发展的时期。
从唐朝到明代中期,是我国古代钢铁技术发展和定型的时代。
明朝中期到清末是传统钢铁技术继续缓慢发展时期。
但我国没有实现现代钢铁技术的转化;这是由于帝国主义侵略和封建专制统治造成的。
在半殖民地半封建的旧中国,生产力发展几乎停止,钢铁生产已是停止不前。
新中国的建立,特别是改革开放后,我国的钢铁事业有了惊人的发展,我们已经屹立在世界钢铁强国的行列之中。
我国古代铁器生产的一大特色是用高温液态生铁铸造获得铁器。
这里炉子的改进起了关键作用。
炉子进步主要表现在高度的增加,容积的扩大;炉体结构的变化以及送风系统的改善。
在西汉时,我们就有了炉缸直径达0.8~1.8m的圆形大竖炉。
到了东汉出现了大的椭圆形炼铁炉。
在江苏徐州就有一座这样的炉子。
炉缸长轴2.5m,短轴1.4m;河南郑州有了更大的椭圆形炼铁炉,在古荥有这样的汉代的椭圆炼铁炉,长轴为4m,短轴为2.8m,面积8.5m2,炉子高5~6m,有效容积约50m2,在当时是处于先进水平的。
在古代风压较低的情况下,采用椭圆形炉体,风口沿长轴方向在炉子两侧成对分布,有利于风鼓入炉缸中心,提高燃烧强度和提高炉内温度。
这种先进的构思与设计比欧洲人约早了1600年,到了19世纪中叶,英、美、瑞典、俄国人才做了这方面的探索。
鼓风装置,对铁水温度有重要的作用,“有风就有铁”,这是千真万确的。
我国对鼓风装置也进行了逐步的改进与提高,促使了冶铁术的发展。
从商周到汉魏采用的是皮囊鼓风。
所以《礼记》中写道:
“良冶之子,必学为裘。
”它的意思是,年轻的工匠,要想继承父业,必须学会缝制皮裘的本领。
可见当时的冶铁业对鼓风技术的重视。
鼓风装置由人力驱动(人排)发展到用畜力和水力驱动(马排、水排),这是汉代冶铁术的突破。
清代王桢在《农书》中对水排有较详细描述。
到了宋朝,鼓风装置从皮囊进步到了木制风箱。
风箱轻巧灵便,它可以用水力驱动,也可以用人力或畜力驱动,风量较大,风压也较高。
我国古代铁器材料的组成已与现代铸铁材料相似,有白口铁、灰口铁、展性铸铁(可锻铸铁)和球墨铸铁。
我们的祖先不仅制取了大量的铁质兵器、劳动工具,而且还留给我们许多举世闻名的大型铸件。
如沧州铁狮、当阳铁塔、晋祠铁人等。
它们重达数吨甚至几十吨,成为珍贵的文化遗产,也表现了铁器制作水平的提高与进步。
沧州铁狮是五代后周广顺三年(公元953年)铸造的。
位于河北沧州,总高5.4m,身高3.9m,头高1.5m,身长6.8m,宽3m,总重达40t。
当阳铁塔建于宋朝(公元1061年),位于湖北省当阳县,是我国现存铁塔中最高最大的一座。
据《当阳县志》介绍:
“铁塔在殿前十三级,高七丈,重十万六千六百斤。
”它经历了900多年的风风雨雨,至今仍完好地耸立在丛林云雾之间。
山西太原的晋祠内,有一座著名的“晋祠铁人”,高达2m以上,形态逼真,是北宋绍圣四年(公元1097年)铸造的。
(四)铸铁的品种与发展
1.铸铁的分类与组织
生铁是铁碳合金,碳含量在2.1-6.67%,而且还含有0.5-3.0%的硅,另外有一定的锰、磷、硫。
生铁无韧性,不能进行韧性加工。
可用于炼钢的生铁,称炼钢生铁;专门用于铸造的生铁,称铸造生铁(铸铁)。
铸铁按其中碳存在的不同形式、有无石墨析出和石墨的形态,可以分为白口铁(无石墨析出,碳与铁以化合物渗碳体Fe3C形式分布)、灰口铁(石墨呈片状析出)、麻口铁(既有渗碳体,又有片状石墨)、球墨铸铁(石墨呈球状析出)、可锻铸铁(石墨以团絮状析出)、蠕墨铸铁(石墨以蠕虫状析出)。
铸铁中存在各种金相基本组织,主要有铁素体、奥氏体、珠光体等。
铁素体:
铁素体为碳在体心立方。
α-Fe(纯铁)的固溶体。
它固溶碳的能力很小,在室温时仅可溶解0.006%的碳,所以它的性能近于纯铁。
铁素体塑性、韧性好,但其强度、硬度差。
用代号“F”表示。
奥氏体:
奥氏体为碳在面心立方γ-Fe(纯铁)的固溶体。
它固溶碳的能力比α-Fe大,因为γ-Fe原子间的空隙比较大。
它一般存在于727~1493℃之间,在1147℃时的最大溶碳量为2.14%。
它的塑性、韧性比铁素体略差,而强度、硬度比铁素体有所提高。
用代号“A”表示。
珠光体:
珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物,在光学显微镜下观察呈条纹状,因其显示珠母壳的光泽,故名。
其综合机械性能比单独的铁素体或渗碳体良好,介于两者之间。
用代号“P”表示。
随着合金元素的加入和热处理的作用,还可以出现另外一些组织,如索氏体、托氏体、贝氏体、马氏体。
2.白口铸铁
白口铸铁是铸铁中最早的产品。
铁中碳处于化合状态,以渗碳体(Fe3C)形态存在,性质硬而脆,断口呈银白色。
白口铸铁很难进行加工,所以一般都不希望出现白口。
但有时却可以利用其硬度高、抗磨损性能好的特点,制取耐磨损的器具,如农具(锄、铲、铧)、磨球等。
在春秋晚期和战国初期仅能生产白口铸铁。
汉代以来,尽管铸铁品种增多,然而白口铸铁仍占很大比例(约占25%)。
白口铸铁发展到今天,已经经过了一个漫长的时期。
从普通白口铸铁逐步发展到合金白口铸铁,人类社会也逐渐进步至今日繁荣时代。
普通白口铸铁含碳量较高,含硅量较低。
室温组织是珠光体加上渗碳体,所以其硬度高、韧性低,实际使用领域很小。
合金元素的加入,辅以热处理措施,可以改善普通白口铸铁的力学性能。
从20世纪起在白口铸铁的发展史上出现了两个重要的里程碑:
一是出现了镍硬铸铁,接着发明了高铬铸铁。
1928年,研制成功了镍硬铸铁(Ni-Hard),它是白口铸铁发展中的第二代。
由于加了镍、铬等合金元素,铸铁的室温组织是马氏体和约50%的游离状态的渗碳体组织。
马氏体是一种比珠光体更硬的组织,加上渗碳体呈游离状态,所以不仅抗磨性有了提高,而且韧性也有了改善。
高铬白口铸铁是白口铸铁发展的第三代。
它是差不多在1930年发展镍硬铸铁的同时而诞生的。
因为镍的价格高,来源有限,加上镍硬铸铁的韧性还太低,所以人们用铬取代了镍。
高铬铸铁的室温组织虽然仍是马氏体加上碳化物,但是此碳化物比渗碳体更硬,而且呈断续的小块状分布,所以韧性也有了较显著提高。
高铬铸铁主要用来铸造在冲击载荷比较小的但又要在抗磨条件下的零件。
3.灰口铁
灰口铁是应用最广泛的一种铸铁。
铁中的碳是以片状石墨存在,断口呈灰黑色。
灰口铁具有较好的铸造性能,流动性好,能浇满薄壁体和复杂件,凝固时的收缩小,铸件产生缩孔和缩松倾向较小,成品率较高,而且力学性能高于白口铁,还有良好的减震性和耐磨性。
我国古代劳动人民对灰口铁的特点早就有了认识,并制造出不少灰口铸铁件。
西汉中期,我国已出现了灰口铸铁件,并且很快就被用作工程材料。
我国考古工作者在河北省满城中山靖王刘胜的墓葬里(死于公元前115年)发现了一件车锏(即车轴承)。
经过分析,该车锏组织是珠光体基体加片状石墨的灰口铁。
灰口铁中石墨含量多,有一定的润滑和减摩作用。
西汉时期,我们祖先已懂得这个道理,巧妙地用来作为轴承棘轮材料,说明当时的工匠师对铸铁材料掌握的水平已经很高。
从对河南汉魏279件铁器的全面金相检查可见,当时的灰口铸铁件数量不少(约占总铁器的7%)。
主要是轴承、棘轮等机械零件和斧、镢、铧等一类工具。
其中有一件铁铧,它含C2.31%、Si0.21%,含S仅为0.07%、P为0.38%。
在含Si量如此低的条件下,能够形成相当于现代标准HT300的石墨化程度,确是一件不容易的事。
南北朝以后,我国对灰铸铁控制和生产技术开始日益成熟。
灰铸铁还具有一些良好的使用性能,如较低的缺口敏感性、良好的减震性和良好的减摩性。
较低的缺口敏感性:
由于灰铸铁中存在大量的石墨片,而石墨的强度极低(σb<20MPa,伸长率近于零),这就意味着在铸铁内部存在大量的裂口,因此减弱了外来缺口(如铸件孔洞、键槽、刀痕等)对力学性能影响的敏感性。
良好的减震性:
减震性就是材料吸收在交变负荷作用下振动的能力。
因灰铸铁中存在大量石墨片,它割裂了基体的连续性,所以阻止了振动的传播,并把振动能转变为热能而散发。
灰铸铁良好的减震性是它成为工作母机机身材料的重要原因之一。
良好的减摩性:
这是因为石墨本身有很好的润滑作用,而且当石墨被磨掉后留下的凹痕能形成大量的显微“口袋”,以储藏润滑油。
在生产实际中往往对灰铸铁提出各种不同的要求。
我们国家标准(GB9439-1988)对灰铸铁划分成七个牌号,即:
HT100,HT150,HT200,HT250,HT300,HT350和HT400。
其中HT代表灰铸铁,后面的数字是指该材料30mm试棒的抗拉强度最低值:
单位是MPa。
时间飞逝了几千年,但人们对灰铸铁的钟爱丝毫不减。
灰铸铁应用的范围相当广泛。
它忠心耿耿地为人类服务,促进社会的发展。
4.麻口铁
麻口铁是介于白口铁与灰口铁之间的一种铸铁组织。
铁中的碳有以片状石墨存在的,也有以渗碳体(Fe3C)形式析出的。
所以它的断口不全是银白的(白口铁),也不是灰黑色(灰口铁)。
我国古代就有这种铸铁。
在湖北同绿山战国古墓中已发现了马口铁的犁铧。
随后这种铸铁材料屡见不鲜。
一般麻口铸铁是不能直接使用的,因为它的韧性太小,脆性太大。
现在实际使用的是冷硬铸铁,即铸铁的表面是白口组织而内部是灰口组织(或球状石墨组织)。
如轧制钢材用的轧辊就是有用这种铸铁材料的,轧辊表面需要有高的硬度,采用了白口铸铁,而轧辊又要承受较大的弯曲应力,所以其内部组织是灰口的或者是球化组织。
5.可锻铸铁
考古界习惯称其为柔化处理铸铁。
现代生产一般将这种铸铁称为可锻铸铁或韧性铸铁。
因为这种铸铁有一定的延展性,所以又称为展性铸铁。
但是可锻铸铁仅是一个名称而已,它实际上
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