在a點(diǎn)前灰鑄鐵細(xì)桿已凝固完畢，粗桿處于共晶轉(zhuǎn)變期，粗桿石墨化所產(chǎn)生的膨脹受到細(xì)桿的阻礙，產(chǎn)生壓應(yīng)力，到達(dá)a點(diǎn)時，粗桿的共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束，應(yīng)力達(dá)到極大值。

        從a點(diǎn)開始，粗桿冷卻速度超過細(xì)桿，二者溫差逐漸減小，應(yīng)力隨之減小，到達(dá)b點(diǎn)時應(yīng)力降為零。此后由于粗桿的線收縮仍然大于細(xì)桿，加上細(xì)桿進(jìn)入共析轉(zhuǎn)變后石墨析出引起的膨脹，粗桿中的應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。

        到達(dá)c點(diǎn)時粗桿共析轉(zhuǎn)變開始，細(xì)桿共析轉(zhuǎn)變結(jié)束，兩桿溫差再次增大，粗桿受到的拉應(yīng)力減小。

        到達(dá)d點(diǎn)時，粗桿受到的拉應(yīng)力降為零，粗桿所受到的應(yīng)力又開始轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。

        從e點(diǎn)開始，粗桿的冷卻速度再次大于細(xì)桿，兩桿的溫差再次減小，粗桿受到的壓應(yīng)力開始減小。

        到達(dá)f點(diǎn)時，應(yīng)力再度為零。此時兩桿仍然存在溫差，粗桿的收縮速度仍然大于細(xì)桿，在隨后的冷卻過程中，粗桿所受到的拉應(yīng)力繼續(xù)增大。

        從上述分析可以看出，灰鑄鐵在冷卻過程中有三次完全卸載（即應(yīng)力等于零）狀態(tài)。如果在其最后一次完全卸載（即f點(diǎn)）時，對鑄件保溫，消除兩桿的溫差，然后使其緩慢冷卻，就會使兩桿間的應(yīng)力降到最小。對灰鑄鐵冷卻過程中的應(yīng)力測定表明，灰鑄鐵最后一次完全卸載溫度在550～600℃。這與實(shí)際生產(chǎn)中灰鑄鐵的退火溫度相近。

        三、去應(yīng)力退火工藝

        為了提高去應(yīng)力退火的實(shí)際效果，加熱溫度最好能達(dá)到鑄件最后一次完全卸載溫度。在低于最后一次完全卸載溫度時，加熱溫度越高，應(yīng)力消除越充分。但是，加熱溫度過高，會引起鑄件組織發(fā)生變化，從而影響鑄件的性能。對于灰鑄鐵件，加熱溫度過高，會使共析滲碳體石墨化，使鑄件強(qiáng)度和硬度降低。對于白口鑄鐵件，加熱溫度過高，也會使共析滲碳體分解，使鑄件的硬度和耐磨性大幅度降低。

        普通灰鑄鐵去應(yīng)力退火的加熱溫度為550℃。當(dāng)鑄鐵中含有穩(wěn)定基體組織的合金元素時，可適當(dāng)提高去應(yīng)力退火溫度。低合金灰口鑄鐵為600℃，高合金灰口鑄鐵可提高到650℃。加熱速度一般為60～100℃/h.保溫時間可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： H＝鑄件厚度/25＋H'，式中鑄件厚度的單位是毫米，保溫時間的單位是小時，H'在2～8范圍里選擇。形狀復(fù)雜和要求充分消除應(yīng)力的鑄件應(yīng)取較大的H'值。隨爐冷卻速度應(yīng)控制在30℃/h以下，一般鑄件冷至150～200℃出爐，形狀復(fù)雜的鑄件冷至100℃出爐。表1為一些灰鑄鐵件的去應(yīng)力退火規(guī)范，供參考。

第二節(jié)  石墨化退火熱處理

        石墨化退火的目的是使鑄鐵中滲碳體分解為石墨和鐵素體。這種熱處理工藝是可鍛鑄鐵件生產(chǎn)的必要環(huán)節(jié)。在灰鑄鐵生產(chǎn)中，為降低鑄件硬度，便于切削加工，有時也采用這種工藝方法。在球墨鑄鐵生產(chǎn)中常用這種處理方法獲得高韌性鐵素體球墨鑄鐵。

        一、石墨化退火的理論基礎(chǔ)

        根據(jù)相穩(wěn)定的自由能計(jì)算，鑄鐵中滲碳體是介穩(wěn)定相，石墨是穩(wěn)定相，滲碳體在低溫時的穩(wěn)定性低于高溫。因此從熱力學(xué)的角度看，滲碳體在任一溫度下都可以分解為石墨和鐵碳固溶體，而且在低溫下，滲碳體分解更容易。

        但是，石墨化過程能否進(jìn)行，還取決于石墨的形核及碳的擴(kuò)散能力等動力學(xué)因素。對于固態(tài)相變，原子的擴(kuò)散對相變能否進(jìn)行起重要作用。由于溫度較高時，原子的擴(kuò)散比較容易，因此實(shí)際上滲碳體在高溫時分解比較容易。尤其是自由滲碳體和共晶滲碳體分解時，由于要求原子做遠(yuǎn)距離擴(kuò)散，只有在溫度較高時才有可能進(jìn)行。

        1.石墨的形核

        對于可鍛鑄鐵，滲碳體的分解首先要求形成石墨核心。

        在固相基體中，石墨形核既要克服新相形成所引起的界面能的增加，同時又要克服石墨形核時體積膨脹所受到的外界阻礙，因此其形核比在液態(tài)時要困難得多。由于在滲碳體與其周圍固溶體的界面上存在有大量的空位等晶體缺陷，石墨晶核首先在這里形成。

        在滲碳體內(nèi)，盡管也可能存在有晶體缺陷，但是由于石墨形核會引起較大的體積膨脹，而滲碳體硬度高，體積容讓性差，必然會對此產(chǎn)生巨大的阻力，從而阻礙石墨核心在其內(nèi)部形成。

        在實(shí)際生產(chǎn)中，鑄鐵內(nèi)往往存在有各種氧化物、硫化物等夾雜物。其中一些夾雜物與石墨有良好的晶格對應(yīng)關(guān)系，可以作為石墨形核的基底，減小了由于石墨形核所造成的界面能的增加。因此在實(shí)際條件下，石墨形核要比理想狀態(tài)容易些。

        對于灰鑄鐵和球墨鑄鐵，石墨化過程不需要石墨重新形核。

        2.高溫石墨化過程

        高溫石墨化的主要目的是使自由滲碳體和共晶滲碳體分解。如果把含有滲碳體的鑄鐵加熱到奧氏體溫度區(qū)域，石墨的形核則發(fā)生在奧氏體與滲碳體的界面上。石墨形核后，隨著滲碳體的分解，借助于碳原子向石墨核心的擴(kuò)散不斷長大，最終完成石墨化過程。

        需要指出的是，對于可鍛鑄鐵而言，其鑄態(tài)組織是按亞穩(wěn)定系凝固而成，其中奧氏體相對于穩(wěn)定系奧氏體呈碳過飽和狀態(tài)，石墨化后，奧氏體中碳濃度也要發(fā)生變化。石墨化完成后，鑄鐵的平衡組織為奧氏體加石墨。如果此時將鑄鐵緩慢冷卻，奧氏體將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是鐵素體和二次石墨，鑄鐵的最終平衡組織為鐵素體加石墨。

        3.低溫石墨化過程

        低溫石墨化是指在A1溫度（720～750℃）以下保溫的石墨化過程。可分為兩種情況：一種是鑄鐵經(jīng)過高溫奧氏體化后再進(jìn)行低溫石墨化處理；另一種是鑄鐵不經(jīng)過高溫奧氏體化，而僅加熱到A1溫度以下進(jìn)行低溫石墨化。

        前者的目的是使奧氏體在共析轉(zhuǎn)變時按穩(wěn)定系轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和石墨。后者不形成奧氏體，共析滲碳體直接分解為鐵素體加石墨。

        如前所述，從熱力學(xué)條件看，在低溫下石墨化是可能的。此時關(guān)鍵的問題是碳原子的擴(kuò)散。在低溫下，碳原子本身的擴(kuò)散能力很低，加之鐵素體溶解碳的能力很小，碳原子的擴(kuò)散比較困難，主要通過晶粒邊界和晶體內(nèi)部缺陷進(jìn)行。因此，要提高低溫石墨化的速度，關(guān)鍵是減小碳原子的擴(kuò)散距離。細(xì)化鑄態(tài)組織，增加晶界，增加石墨核心是減小碳原子擴(kuò)散距離的有效措施。

        二、石墨化退火工藝

        1.鐵素體（黑心）可鍛鑄鐵的石墨化退火工藝

        圖2所示，黑心可鍛鑄鐵的石墨化有五個階段：（1） 升溫；（2） 第一階段石墨化；（3） 中間階段冷卻；（4） 第二階段石墨化；（5） 出爐冷卻。

在a點(diǎn)前灰鑄鐵細(xì)桿已凝固完畢，粗桿處于共晶轉(zhuǎn)變期，粗桿石墨化所產(chǎn)生的膨脹受到細(xì)桿的阻礙，產(chǎn)生壓應(yīng)力，到達(dá)a點(diǎn)時，粗桿的共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束，應(yīng)力達(dá)到極大值。

        從a點(diǎn)開始，粗桿冷卻速度超過細(xì)桿，二者溫差逐漸減小，應(yīng)力隨之減小，到達(dá)b點(diǎn)時應(yīng)力降為零。此后由于粗桿的線收縮仍然大于細(xì)桿，加上細(xì)桿進(jìn)入共析轉(zhuǎn)變后石墨析出引起的膨脹，粗桿中的應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。

        到達(dá)c點(diǎn)時粗桿共析轉(zhuǎn)變開始，細(xì)桿共析轉(zhuǎn)變結(jié)束，兩桿溫差再次增大，粗桿受到的拉應(yīng)力減小。

        到達(dá)d點(diǎn)時，粗桿受到的拉應(yīng)力降為零，粗桿所受到的應(yīng)力又開始轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。

        從e點(diǎn)開始，粗桿的冷卻速度再次大于細(xì)桿，兩桿的溫差再次減小，粗桿受到的壓應(yīng)力開始減小。

        到達(dá)f點(diǎn)時，應(yīng)力再度為零。此時兩桿仍然存在溫差，粗桿的收縮速度仍然大于細(xì)桿，在隨后的冷卻過程中，粗桿所受到的拉應(yīng)力繼續(xù)增大。

        從上述分析可以看出，灰鑄鐵在冷卻過程中有三次完全卸載（即應(yīng)力等于零）狀態(tài)。如果在其最后一次完全卸載（即f點(diǎn)）時，對鑄件保溫，消除兩桿的溫差，然后使其緩慢冷卻，就會使兩桿間的應(yīng)力降到最小。對灰鑄鐵冷卻過程中的應(yīng)力測定表明，灰鑄鐵最后一次完全卸載溫度在550～600℃。這與實(shí)際生產(chǎn)中灰鑄鐵的退火溫度相近。

        三、去應(yīng)力退火工藝

        為了提高去應(yīng)力退火的實(shí)際效果，加熱溫度最好能達(dá)到鑄件最后一次完全卸載溫度。在低于最后一次完全卸載溫度時，加熱溫度越高，應(yīng)力消除越充分。但是，加熱溫度過高，會引起鑄件組織發(fā)生變化，從而影響鑄件的性能。對于灰鑄鐵件，加熱溫度過高，會使共析滲碳體石墨化，使鑄件強(qiáng)度和硬度降低。對于白口鑄鐵件，加熱溫度過高，也會使共析滲碳體分解，使鑄件的硬度和耐磨性大幅度降低。

        普通灰鑄鐵去應(yīng)力退火的加熱溫度為550℃。當(dāng)鑄鐵中含有穩(wěn)定基體組織的合金元素時，可適當(dāng)提高去應(yīng)力退火溫度。低合金灰口鑄鐵為600℃，高合金灰口鑄鐵可提高到650℃。加熱速度一般為60～100℃/h.保溫時間可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： H＝鑄件厚度/25＋H'，式中鑄件厚度的單位是毫米，保溫時間的單位是小時，H'在2～8范圍里選擇。形狀復(fù)雜和要求充分消除應(yīng)力的鑄件應(yīng)取較大的H'值。隨爐冷卻速度應(yīng)控制在30℃/h以下，一般鑄件冷至150～200℃出爐，形狀復(fù)雜的鑄件冷至100℃出爐。
第二節(jié)  石墨化退火熱處理

        石墨化退火的目的是使鑄鐵中滲碳體分解為石墨和鐵素體。這種熱處理工藝是可鍛鑄鐵件生產(chǎn)的必要環(huán)節(jié)。在灰鑄鐵生產(chǎn)中，為降低鑄件硬度，便于切削加工，有時也采用這種工藝方法。在球墨鑄鐵生產(chǎn)中常用這種處理方法獲得高韌性鐵素體球墨鑄鐵。

        一、石墨化退火的理論基礎(chǔ)

        根據(jù)相穩(wěn)定的自由能計(jì)算，鑄鐵中滲碳體是介穩(wěn)定相，石墨是穩(wěn)定相，滲碳體在低溫時的穩(wěn)定性低于高溫。因此從熱力學(xué)的角度看，滲碳體在任一溫度下都可以分解為石墨和鐵碳固溶體，而且在低溫下，滲碳體分解更容易。

        但是，石墨化過程能否進(jìn)行，還取決于石墨的形核及碳的擴(kuò)散能力等動力學(xué)因素。對于固態(tài)相變，原子的擴(kuò)散對相變能否進(jìn)行起重要作用。由于溫度較高時，原子的擴(kuò)散比較容易，因此實(shí)際上滲碳體在高溫時分解比較容易。尤其是自由滲碳體和共晶滲碳體分解時，由于要求原子做遠(yuǎn)距離擴(kuò)散，只有在溫度較高時才有可能進(jìn)行。

        1.石墨的形核

        對于可鍛鑄鐵，滲碳體的分解首先要求形成石墨核心。

        在固相基體中，石墨形核既要克服新相形成所引起的界面能的增加，同時又要克服石墨形核時體積膨脹所受到的外界阻礙，因此其形核比在液態(tài)時要困難得多。由于在滲碳體與其周圍固溶體的界面上存在有大量的空位等晶體缺陷，石墨晶核首先在這里形成。

        在滲碳體內(nèi)，盡管也可能存在有晶體缺陷，但是由于石墨形核會引起較大的體積膨脹，而滲碳體硬度高，體積容讓性差，必然會對此產(chǎn)生巨大的阻力，從而阻礙石墨核心在其內(nèi)部形成。

        在實(shí)際生產(chǎn)中，鑄鐵內(nèi)往往存在有各種氧化物、硫化物等夾雜物。其中一些夾雜物與石墨有良好的晶格對應(yīng)關(guān)系，可以作為石墨形核的基底，減小了由于石墨形核所造成的界面能的增加。因此在實(shí)際條件下，石墨形核要比理想狀態(tài)容易些。

        對于灰鑄鐵和球墨鑄鐵，石墨化過程不需要石墨重新形核。

        2.高溫石墨化過程

        高溫石墨化的主要目的是使自由滲碳體和共晶滲碳體分解。如果把含有滲碳體的鑄鐵加熱到奧氏體溫度區(qū)域，石墨的形核則發(fā)生在奧氏體與滲碳體的界面上。石墨形核后，隨著滲碳體的分解，借助于碳原子向石墨核心的擴(kuò)散不斷長大，最終完成石墨化過程。

        需要指出的是，對于可鍛鑄鐵而言，其鑄態(tài)組織是按亞穩(wěn)定系凝固而成，其中奧氏體相對于穩(wěn)定系奧氏體呈碳過飽和狀態(tài)，石墨化后，奧氏體中碳濃度也要發(fā)生變化。石墨化完成后，鑄鐵的平衡組織為奧氏體加石墨。如果此時將鑄鐵緩慢冷卻，奧氏體將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是鐵素體和二次石墨，鑄鐵的最終平衡組織為鐵素體加石墨。

        3.低溫石墨化過程

        低溫石墨化是指在A1溫度（720～750℃）以下保溫的石墨化過程。可分為兩種情況：一種是鑄鐵經(jīng)過高溫奧氏體化后再進(jìn)行低溫石墨化處理；另一種是鑄鐵不經(jīng)過高溫奧氏體化，而僅加熱到A1溫度以下進(jìn)行低溫石墨化。

        前者的目的是使奧氏體在共析轉(zhuǎn)變時按穩(wěn)定系轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和石墨。后者不形成奧氏體，共析滲碳體直接分解為鐵素體加石墨。

        如前所述，從熱力學(xué)條件看，在低溫下石墨化是可能的。此時關(guān)鍵的問題是碳原子的擴(kuò)散。在低溫下，碳原子本身的擴(kuò)散能力很低，加之鐵素體溶解碳的能力很小，碳原子的擴(kuò)散比較困難，主要通過晶粒邊界和晶體內(nèi)部缺陷進(jìn)行。因此，要提高低溫石墨化的速度，關(guān)鍵是減小碳原子的擴(kuò)散距離。細(xì)化鑄態(tài)組織，增加晶界，增加石墨核心是減小碳原子擴(kuò)散距離的有效措施。

        二、石墨化退火工藝

        1.鐵素體（黑心）可鍛鑄鐵的石墨化退火工藝

        圖2所示，黑心可鍛鑄鐵的石墨化有五個階段：（1） 升溫；（2） 第一階段石墨化；（3） 中間階段冷卻；（4） 第二階段石墨化；（5） 出爐冷卻。

第三節(jié) 改變基體組織的熱處理
一、改變基體組織熱處理的理論基礎(chǔ)
     1.過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變及其產(chǎn)物
    如果將奧氏體化后的鑄鐵冷卻到A1溫度以下（此時的奧氏體稱為過冷奧氏體），奧氏體就會發(fā)生轉(zhuǎn)變。其轉(zhuǎn)變可以是珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、或馬氏體轉(zhuǎn)變。究竟發(fā)生何種轉(zhuǎn)變一方面取決于各種轉(zhuǎn)變生成相在不同溫度下的自由能，另一方面與各種轉(zhuǎn)變所要求的動力學(xué)條件有關(guān)。
    對于鐵碳合金，珠光體轉(zhuǎn)變發(fā)生在A1以下至550℃左右。在此溫度下，原子可以充分?jǐn)U散，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體。在一般情況下，珠光體內(nèi)的鐵素體和滲碳體呈片狀相間分布，其片層厚度與珠光體轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)。轉(zhuǎn)變溫度越低，所形成的珠光體分散度越高，片層間距越小，其力學(xué)性能越高。隨著轉(zhuǎn)變溫度的降低，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物依次為粗大珠光體或稱珠光體，細(xì)珠光體或稱索氏體，極細(xì)珠光體或稱屈氏體（托氏體）。
    如果奧氏體冷卻到大約220～550℃進(jìn)行轉(zhuǎn)變，由于溫度較低，原子的擴(kuò)散不能充分進(jìn)行，奧氏體分解為介穩(wěn)定的過飽和α-Fe與碳化物（或滲碳體）的混合物。這種轉(zhuǎn)變產(chǎn)物稱為貝氏體。貝氏體分為上貝氏體和下貝氏體。在接近珠光體轉(zhuǎn)變溫度（550℃稍下）所形成的貝氏體稱為上貝氏體，由平行的α-Fe相和其間分布的碳化物所組成。在金相顯微鏡下，上貝氏體呈羽毛狀，因此又叫做羽毛狀貝氏體。在靠近馬氏體轉(zhuǎn)變溫度（220℃稍上）所形成的貝氏體稱為下貝氏體，由針狀過飽和α-Fe及其上分散的微細(xì)碳化物所組成，又叫做針狀貝氏體。
    如果奧氏體冷卻到更低的溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)變，原子的擴(kuò)散已無法進(jìn)行，奧氏體只能以非擴(kuò)散的形式轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。奧氏體只有冷卻到某一溫度以下才可以發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，這個溫度稱為馬氏體轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)，簡稱馬氏體點(diǎn)。馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)是在轉(zhuǎn)變過程中鐵、碳原子都不發(fā)生擴(kuò)散，所生成的馬氏體與原來的奧氏體成分相同。從晶體結(jié)構(gòu)上看，馬氏體仍是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。高碳馬氏體在金相顯微鏡下呈針狀。
    2.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線（C曲線）
過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線是表示不同溫度下過冷奧氏體轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變時間關(guān)系的曲線。由于通常不需要了解某時刻轉(zhuǎn)變量的多少，而比較注重轉(zhuǎn)變的開始和結(jié)束時間，因此常常將這種曲線繪制成溫度─時間曲線，簡稱C曲線
等溫淬火的目的是使材料具有高強(qiáng)度和高硬度的同時具有較高的塑性和韌性，是目前有效發(fā)揮材料最大潛力的一種熱處理方法。在白口鑄鐵生產(chǎn)中，等溫淬火可用于犁鏵、粉碎機(jī)錘頭、拋丸機(jī)葉片及襯板等鑄件的熱處理。其工藝是將白口鑄鐵在900℃奧氏體化，然后根據(jù)不同成分鑄鐵的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線確定等溫轉(zhuǎn)變溫度，在該溫度下等溫1～1.5小時后空冷。
    在球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和灰鑄鐵生產(chǎn)中，等溫淬火工藝主要用來獲得貝氏體加殘余奧氏體基體組織。其工藝是將鑄鐵加熱到奧氏體化溫度，保溫后進(jìn)行等溫淬火。提高奧氏體化溫度，會提高奧氏體含碳量，使形成上貝氏體的下限溫度降低，有利于形成上貝氏體組織。增加奧氏體化保溫時間，會提高奧氏體的穩(wěn)定性，有利于保留一定數(shù)量的殘留奧氏體，從而改善材料的韌性。等溫淬火溫度要根據(jù)C曲線確定。等溫淬火時間過長會析出碳化物，降低材料的韌性；過短則貝氏體量不足。加入一定的合金元素，諸如Mo、CuNi可提高淬透性。