综合实验:灰铸铁力学性能测试
一、实验目的：
目的是培养学生，理论联系实际的学风，独立动脑分析问题，独立动手解决问题，独立设计实验方案，独立完成实验全过程，独立总结实验过程的实际工作能力和初步的创新能力。
二、实验内容
我们小组拿到的是灰铸铁试样，由小组8人进行不同的热处理工艺，如表所示：工艺编号 1 2 3 4 5 6 7 8
正火℃无860 无无无无无无
淬火℃无无860
（水）
860
（水）
860
（油）
860
（油）
860
（油）
860
（油）
回火℃无无无560 无560 460 260
我选择的工艺是第7组.
二、实验步骤：
2.对灰铸铁进行淬火，温度860℃，保温10分钟，淬火介质为油。
3.测试淬火后试样的硬度值（洛氏硬度试验机）。
4.对试样进行回火处理，温度460℃，保温60分钟，取出后空冷。
5.测试回火后的试样硬度值（洛氏硬度试验机）。
6.通过打磨、研磨、抛光、侵蚀，在金相显微镜下观察试样经过处理后的金相组织，观察后拍照。
三、实验结果：
1.试样硬度表（HRC）
试
样编号
次数
1 2 3 4 5 6 7 8 120.9 11.6 42.7 -10.0 —-5.5 8.9 28 221.0 13.3 41.9 0.0 —-6.3 4.7 31.2 319.6 11.1 40.6 -8.5 —-4.7 8.8 26.1 422.9 10.0 35 -20.0 —-3.7 7.0 30.9 521.7 10.3 54.6 -11.3 —-6.5 8.0 31.5
平均21.22 11.26 42.96 -9.96 23.0¹-5.34 7.48 29.54 45#²—15.0 60.0 21.0 26.0 16.0 ——
1、此数据为我的式样测得的平均值；
2、45钢的硬度数据综合了其他组同学的数据；
3、一般资料上面对于铸铁硬度的表示采用的是布氏硬度，但由于布氏硬度测量麻烦，故我们采用洛氏硬度表示，必要时可进行硬度换算。
四、实验分析：
灰口铸铁是指含有片状石墨组织的铸铁，这种铸铁因其断面呈灰黑色而得名，其基体组织则分为三种类型：铁素体、珠光体及铁素体+珠光体，从组织可以看出灰口铸铁中的碳大部或全部以片状石墨形式存在（如图8），片状石墨单晶体是由许多薄片晶层叠集而成，薄片晶之间存在着许多亚结构，普通铸铁的石墨晶体中，总是存在许多晶体缺陷。
灰口铸铁中的石墨与钢的基体相比，可以把灰铸铁的组织看做是“钢的基体”加上片状石墨的夹杂，石墨的力学性能几乎可以看做为“0” ，而片状石墨的存在相当于基体中许多小的裂纹，破坏了材料的连续性和整体性，减少了基体受力的有效面积，而且很容易在石墨片的尖端形成应力集中，是材料形成脆性断裂，所以灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性比钢低得多，石墨片的量愈多，尺寸愈大，其其影响也愈大。
石墨虽然降低了铸铁的力学性能，但使铸铁获得了许多钢没有的优良性能。
灰铸铁的金属基体与碳钢基本相似，但由于灰铸铁内的硅、锰含量与碳钢相比较高，它们能溶解于铁素体中使铁素体得到强化。
因此，铸铁中就金属基体而言，其本身的强度比碳钢要高。
例如，碳钢中铁素体的硬度约为80HBS，而灰铸铁中铁素体的硬度约为100HBS，一般情况下铁素体灰口铸铁的硬度在143~229HBS(<0.9~22.5HRC)[布氏硬度值数据来自参考资料6，175页表7-1]。
灰铸铁通常测定布氏硬度，因为布氏硬度试验范围适合测定铸铁，而且压痕面积大，能够覆盖较多显微组织，反映多相组织硬度综合值。
但是由于实验室设备有限，以及我们操作能力不足，故而测定的是灰铸铁的洛氏硬度HRC，在必要条件下可通过查表换算出其大概的布氏硬度。
有教材上说[7] ，灰口铸铁的布氏硬度值与同样基体的正火钢相近，这在上面硬度表中似乎得到说明。
基于以上原因老师指导我们按照45钢的热处理工艺处理灰铸铁，我们首先对灰铸铁试样进行了分析，在做金相分析后确定我们拿到的试样是铁素体基灰铸铁，如图1。
我的试样按照预先设定的实验步骤进行处理。
最后打硬度平均值为7.48，相当与布氏硬度170左右，属于143~229HBS范围之内，拍金相照片得到图6。
以下是不同工艺后拍的金相图片：
图1未热处理未腐蚀100×图2正火100×
图3 水淬100×图4油淬100×
图5油淬高温回火100×图6 油淬中温回火100×
图7油淬低温回火100×图8参考图片500×
图9 水淬高温回火100×
从硬度表中可以看出油淬之后回火硬度值在依次升高，但是有一个很大的问题就是水淬高温回火、油淬高温回火和中温回火之后铸铁硬度明显低于未经热处理或正火之后的铸铁硬度，其中油淬高温回火之后硬度变为负值为-5.34，这个硬度相当于布氏硬度156（洛氏0.9）之下。
那么这到底是怎么回事呢？
同组同学在老师的指导下测量了油淬高温回火之后试样铁素体基体的显微硬度，经测量基体硬度值为324.6HV、314.6HV、332.5HV，平均值为323.9HV，相当于34.0~34.5HRC（高于45钢的16HRC），约为321HBS>100HBS。
根据以上数据基本可以再次验证：
①铸铁中就金属基体而言，其本身的强度比碳钢要高；
②铸铁中石墨的存在不仅破坏基体的连续性，减少基体受力的有效面积，而且很容易在石墨片的尖端形成应力集中，明显降低了铸铁的硬度。
铁素体基体测量结果与45钢的硬度值进行比较基本符合事实，那么灰口铸铁硬度值在热处理之后为什么不升反降？
我分析其中原因，第一，估计是因为我们刚开始拿到的试样石墨含量不同导致试样开始硬度就差别很大，这一点可以对比图1、2、5、6、9，其中图5、9中的石墨相对粗大，而图6的石墨较图2明显多，所以可以推测石墨对灰铸铁低硬度有很大贡献，遗憾的是我们刚拿到试样时没有进行硬度测量对比，使得试样的可比性大大减弱，所以只能定性推测。
第二，淬火回火之后硬度降低，我估计还有一个原因就是灰铸铁中含石墨较多，而钢本身淬火之后就容易开裂出现裂纹，所以灰铸铁可能产生了许多微小裂纹（特别是水淬），回火时未能完全消失，导致硬度明显降低。
第三、有资料说道[6]，热处理只能改变灰铸铁的基体组织，而不能改变其石墨的存在状况，股利用热处理来提高灰口铸铁机械性能的效果并不大。
通常仅有以下少数几种热处理：
（一）消除内应力的退火；
（二）改善切屑加工性的退火；
（三）表面淬火。
然而我们在热处理时按照45钢的热处理工艺处理灰铸铁，这是否会给灰铸铁造成其它意料之外的不良影响，尚不清楚。
而这是否是造成以上结果的原因，我认为还有待进一步研究。
另外一个原因就是我们测量的是洛氏硬度，对于硬度值应该也有影响。