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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。白口鑄鐵的碳當量較低。在碳活度度低的鐵水中,碳原子活動能力差,在鐵水中擴散速率低,移位量(特別是鐵原子)很小,鐵水結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,特別是鐵原子在結晶過程中的擴散速率和自擴散量是碳、鐵原子進行點陣重組、形成新相的控制性因素。如果鐵水碳活度低,鐵原子的擴散運動受阻或進行緩慢以致不能為構成石墨晶體提供足夠的空位,則鐵、碳原子傾向于發生即位反應(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造條件。
從熱力學角度來看,形成滲碳體共晶比形成石墨共晶需要較高的相變驅動力,只有當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驅動力。從動力學角度看,形成兩種共晶時,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先生成的相組分,只有當生長速度高于兩條曲線交點時,滲碳體才能成為優勢生長晶體。這個交點溫度略低于滲碳體共晶轉變溫度。當鐵水以較快速度冷卻時,就能促使滲碳體在較低溫度下形核和生長;實踐證實,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、高過冷度是促進鐵水產生白口組織的重要條件。
在非平衡條件下凝固時,亞共晶成分鐵水在共晶轉變前都已經存在一些先共晶奧氏體。近代研究發現,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。當鐵水溫度降低到低于滲碳體共晶轉變開始溫度時,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。
當數量的先共晶奧氏體,而且鐵水過冷度較大(在更快冷速下進行共晶轉變),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
