為什麼叫做鑄鐵
上一篇你逛過了各種鋼——也就是鐵-碳相圖上碳 2.14% 這條線左邊的一切。跨過這條線，你就走進了另一個國度：鑄鐵，一種帶著大約 2.5 到 4.5% 碳、外加 1 到 3% 矽的合金。這是非常大量的碳——好幾倍於任何一種鋼所含的量——它把這種金屬的整個個性都改寫了。這個名字本身就是一個關於「你怎麼塑形它」的承諾：你不會去錘打或輥軋一塊鑄鐵，你是把它熔化，然後倒進模子裡。
為什麼用倒的？因為那麼多碳把成分推到接近碳 4.3% 的共晶點，而在共晶附近，這合金只需大約 1147 度 C 就熔化——比純鐵的 1538 度低了好幾百度。於是鑄鐵在相對溫和的爐溫下就變得又稀又流動，能便宜又忠實地流進複雜砂模最細微的角落（回想共晶反應：整個系統熔點最低的那道山谷）。反面是，同樣沉重的含碳量讓固體變脆，所以你沒辦法像對鋼那樣把它鍛打或輥軋成形。在這裡，直接鑄造成最終形狀不是一種偏好——它是唯一的選項，而且是既便宜又出色的一個。
兩張相圖：石墨還是雪明碳鐵
回想上一階結尾那條狡猾的註腳：雪明碳鐵只是介穩的。鐵與碳真正的熱力學基態是鐵加石墨，而不是鐵加 Fe3C。所以其實有兩張疊在一起的鐵-碳相圖——支配鋼的那張介穩Fe-Fe3C 圖，以及底下那張穩定的鐵-石墨圖。在快速冷卻的鋼裡，碳從沒機會抵達真正的石墨，只能被困成雪明碳鐵。而在一塊緩慢凝固、富矽的鑄鐵裡，碳常常真的掙脫出來，結晶成片狀或球狀的石墨。
有兩個旋鈕決定碳往哪走。第一個是矽：那 1 到 3% 不是偶然，而是刻意加入的石墨化劑——矽把天平撥向讓碳寧可以石墨、而非雪明碳鐵的形式跑出來。第二個是冷卻速率：石墨需要時間，因為碳原子必須擴散聚在一起、堆成自己的晶體，所以緩冷有利石墨，快冷則在碳來得及逃走前就把它凍成雪明碳鐵。這正是為什麼同一件鑄件，在又厚又緩慢冷卻的核心可以是柔軟的灰鑄鐵，而在快速貼著冷模凝固的薄邊卻是又硬又富含雪明碳鐵的『白』鑄鐵。同一鍋熔液、兩種顯微組織，純粹由每個部位冷得多快來決定。
灰鑄鐵：敗在自己的石墨片上
到目前為止最常見的鑄鐵是灰鑄鐵，在它裡面石墨結晶成又薄又彎、彼此相連的片狀，穿插在一整片波來鐵與／或肥粒鐵的基地裡——就是你上一階認識的那種像鋼的基地，如今被石墨貫穿。它被叫做『灰』，是因為剛斷開的斷面看起來是暗灰色，那顏色正是裸露出來的石墨本身。這些石墨片既便宜好做，又賦予灰鑄鐵一些真正美妙的性質——但它們同時也帶著一個致命的弱點，而兩者都出自同一種幾何形狀。
把一片石墨片從側面看：石墨片又薄、尖端又利，這在幾何上意味著它就是一條裂縫。從破壞那一階你知道，尖銳的凹口是應力集中源——尖端處的局部應力遠遠飆過平均值。因此灰鑄鐵佈滿了數以千計內建的小裂縫，於是在拉伸下，它在很低的名目應力（大約 150 到 400 MPa）就折斷，事前幾乎不會先伸長：它以脆性破壞的方式失效。然而把受力方向倒過來，畫面就翻轉了。在壓縮下，這些同樣的石墨片只是被擠合起來，載荷從它們周圍強韌的基地通過，所以灰鑄鐵的抗壓強度是抗拉強度的三到四倍。這正是為什麼它在主要受壓的零件上大顯身手——引擎缸體、工具機床台、柱子與外殼。
重塑石墨，重造金屬
現在來到為這篇命名的關鍵句。四種常見鑄鐵所含的碳大致一樣，都是那百分之幾；區分一件脆鑄件與一件韌鑄件的，不是石墨有多少，而是它長成什麼形狀。撥動成分與熱處理這幾根槓桿，你就能把石墨雕成片狀、團簇狀或球狀——每一次都重造了這金屬。在一個極端，乾脆不給石墨：冷得快、矽又低，碳就被鎖成雪明碳鐵，得到白鑄鐵——因其明亮、結晶狀的斷面而得名。它硬如玻璃、脆得要命、完全無法切削，只用在除了耐磨什麼都不在乎的地方（軋輥、破碎機襯板），或當作下一個把戲的原料。
The four classic cast irons -- all ~3-4% C; only the graphite SHAPE differs
TYPE GRAPHITE FORM HOW IT FORMS DUCTILE? TYPICAL USE
---------------------------------------------------------------------------
white none - C stays as fast cool, no (brittle) wear liners,
cementite (Fe3C) low silicon mill rolls
gray sharp flakes slow cool + Si no (brittle) engine blocks,
(internal cracks) brake discs
malleable irregular clusters anneal white iron yes ~10-20% fittings,
(tempered carbon) (long and hot) brackets
ductile round nodules add ~0.05% Mg yes ~10-25% crankshafts,
(nodular) (spheres) to the melt gears, pipe這個家族的明星是延性鑄鐵。在澆鑄前，把極少量的鎂——大約 0.05%——攪進熔化的鐵水裡，石墨就會長成近乎完美的小球，而不是片狀。剩下的交給幾何：一顆球有著肥胖圓鈍的表面，所以它幾乎完全不集中應力，也不再表現得像裂縫。結果就是延性鑄鐵（又稱球墨鑄鐵或球狀石墨鑄鐵），它像低碳鋼那樣降伏並伸長——抗拉強度大約 400 到 700 MPa、伸長率 10 到 25%，取代了灰鑄鐵那趨近於零的延性。你以鑄鐵的低成本與好鑄性，換到了鋼的一大塊韌性，這正是為什麼曲軸、齒輪與埋在地下的自來水幹管都用它做。只加 0.05%，石墨片就變成石墨球，一個脆的金屬就變成一個韌的金屬。
- 先把零件鑄成白鑄鐵：冷得快、矽又低，讓每一點碳都被困成又硬又脆的雪明碳鐵。這件東西單獨存在會碎裂——它只是一個中間階段。
- 重新加熱並保溫在大約 900 到 950 度 C，維持許多小時——有時是好幾天。因為雪明碳鐵只是介穩的，足夠的熱與時間會讓擴散慢慢把它分解成鐵加石墨（這段長時間的保溫是一種退火）。
- 由於石墨這次是在固體裡靠緩慢的擴散長出來——而不是自由地從熔液析出——它沒辦法鋪展成片狀。取而代之，它團聚成緊湊、不規則的『回火碳』團簇。
- 冷卻下來，你就得到展性鑄鐵：那些圓鈍的團簇集中的應力遠比石墨片少，所以這金屬是真正有延性的（伸長率約 10 到 20%）、又能耐衝擊——最適合做管件、托架與小五金。
誠實的極限
在把這篇歸檔前，有兩個誠實的提醒。第一，『鑄鐵』不是單一種材料，而是一個家族，而在這個家族裡，石墨的形狀比化學成分更重要——兩件成分完全相同的鑄件，可能是脆的灰鑄鐵、也可能是韌的延性鑄鐵，差別只在於一絲鎂與它們怎麼冷卻。除了石墨之外，周圍的基地本身也可能是柔軟的肥粒鐵、或較強的波來鐵，端看冷卻速率，這意味著下一篇的退火與淬火熱處理，調控鑄鐵就跟調控鋼一樣。永遠不要只憑『鑄鐵』這幾個字就讀出一項性質；要問是哪一種鑄鐵、帶著什麼石墨、在什麼基地裡。
第二，關於剛性的一個美妙微妙之處。前面某一階教過你，楊氏模數由原子間的鍵結決定，幾乎不隨熱處理改變——每一種鋼都落在 200 GPa 附近。然而灰鑄鐵量出來只有大約 70 到 110 GPa，而且它的應力-應變曲線甚至不是一條直線，所以工程師會從上面取一個割線模數。難道鑄鐵打破了這條規則？完全沒有。鐵基地本身仍以它完整的約 200 GPa 鍵結；那個偏低的表觀剛性，來自石墨片扮演著順應性的內部空洞，在受載時張開，把整個複合體軟化。延性鑄鐵那圓鈍的球狀對基地的擾動小得多，所以它的模數又爬回大約 165 GPa，再度接近鋼。鍵結從沒改變——是石墨的幾何形狀移動了這個數字，正如它移動了強度與延性一樣。