Ливено гвождеје група легура гвожђе-угљеник са садржајем угљеника већим од 2%.Његова корисност произилази из релативно ниске температуре топљења.Састојци легуре утичу на његову боју када се ломи: бело ливено гвожђе има нечистоће карбида које омогућавају пукотине да пролазе право кроз њих, сиви ливени гвожђе има графитне љуспице које одбијају пролазну пукотину и иницирају безброј нових пукотина док се материјал ломи, а нодуларни ливени гвожђе има сферни облик. графитне „чвориће“ које спречавају даље напредовање пукотине.

Угљеник (Ц) у распону од 1,8 до 4 теж%, и силицијум (Си) 1-3 теж%, су главни легирајући елементи ливеног гвожђа.Легуре гвожђа са нижим садржајем угљеника познате су као челик.

Ливено гвожђе има тенденцију да буде крто, осим ковног ливеног гвожђа.Са својом релативно ниском тачком топљења, добром флуидношћу, ливношћу, одличном обрадивом, отпорношћу на деформације и отпорношћу на хабање, ливено гвожђе је постало инжењерски материјал са широким спектром примене и користи се у цевима, машинама и деловима аутомобилске индустрије, као што су цилиндри главе, блокове цилиндара и кућишта мењача.Отпоран је на оштећења услед оксидације.

Најранији артефакти од ливеног гвожђа датирају из 5. века пре нове ере, а открили су их археолози у данашњем Ђангсуу у Кини.Ливено гвожђе се у древној Кини користило за ратовање, пољопривреду и архитектуру.Током 15. века, ливено гвожђе је постало коришћено за топове у Бургундији, Француској, и у Енглеској током реформације.Количина ливеног гвожђа која се користи за топове захтевала је производњу великих размера. Први мост од ливеног гвожђа саградио је током 1770-их Абрахам Дарби ИИИ, а познат је као Гвоздени мост у Шропширу у Енглеској.Ливено гвожђе је такође коришћено у изградњи зграда.

Легирајући елементи

Особине ливеног гвожђа се мењају додавањем различитих легирајућих елемената, или легуре.Поред угљеника, силицијум је најважнија легура јер тера угљеник из раствора.Низак проценат силицијума омогућава да угљеник остане у раствору формирајући гвожђе карбид и производњу белог ливеног гвожђа.Висок проценат силицијума тера угљеник из раствора формирајући графит и производњу сивог ливеног гвожђа.Други легирајући агенси, манган, хром, молибден, титанијум и ванадијум, супротстављају силицијуму, подстичу задржавање угљеника и стварање тих карбида.Никл и бакар повећавају снагу и обрадивост, али не мењају количину формираног графита.Угљеник у облику графита доводи до мекшег гвожђа, смањује скупљање, смањује чврстоћу и смањује густину.Сумпор, који је углавном загађивач када је присутан, формира гвожђе сулфид, који спречава стварање графита и повећава тврдоћу.Проблем са сумпором је што чини растопљено ливено гвожђе вискозним, што узрокује дефекте.Да би се супротставио ефектима сумпора, додаје се манган јер се ова два формирају у манган сулфид уместо у гвожђе сулфид.Манган сулфид је лакши од растопа, тако да има тенденцију да исплива из растопа у шљаку.Количина мангана потребна за неутрализацију сумпора је 1,7 × садржај сумпора + 0,3%.Ако се дода више од ове количине мангана, тада настаје манган карбид, који повећава тврдоћу и хлађење, осим у сивом гвожђу, где до 1% мангана повећава чврстоћу и густину.

Никл је један од најчешћих легирајућих елемената јер оплемењује перлитну и графитну структуру, побољшава жилавост и уједначава разлике у тврдоћи између дебљина пресека.Хром се додаје у малим количинама да би се смањио слободни графит, произвео хладноћа, и зато што је моћан стабилизатор карбида;никл се често додаје заједно.Као замена за 0,5% хрома може се додати мала количина калаја.Бакар се додаје у лонац или у пећ, реда величине 0,5–2,5%, да би се смањила хладноћа, рафинирао графит и повећала течност.Молибден се додаје реда величине 0,3–1% да би се повећала хладноћа и побољшала структура графита и перлита;често се додаје у комбинацији са никлом, бакром и хромом да би се формирала гвожђа високе чврстоће.Титан се додаје као дегазер и деоксидизатор, али такође повећава течност.0,15–0,5% ванадијума се додаје ливеном гвожђу да стабилизује цементит, повећа тврдоћу и повећа отпорност на хабање и топлоту.0,1–0,3% цирконијума помаже у формирању графита, деоксидацији и повећању флуидности.

У талинама кованог гвожђа, додаје се бизмут, на скали од 0,002–0,01%, да би се повећала количина силицијума која се може додати.У бело гвожђе, бор се додаје да би помогао у производњи ковног гвожђа;такође смањује ефекат грубости бизмута.

Сиви ливени гвожђе

Сиви ливени гвожђе карактерише његова графитна микроструктура, због чега ломови материјала имају сив изглед.То је најчешће коришћени ливени гвожђе и најшире коришћени ливени материјал на основу тежине.Већина ливеног гвожђа има хемијски састав од 2,5–4,0% угљеника, 1–3% силицијума, а остатак гвожђа.Сиви ливени гвожђе има мању затезну чврстоћу и отпорност на ударце од челика, али је његова чврстоћа на притисак упоредива са челиком са ниским и средњим угљеником.Ове механичке особине су контролисане величином и обликом графитних пахуљица присутних у микроструктури и могу се окарактерисати у складу са смерницама датим од АСТМ.

Бели ливени гвожђе

Бело ливено гвожђе има беле поломљене површине због присуства талога карбида гвожђа званог цементит.Са нижим садржајем силицијума (средство за графитизацију) и бржом брзином хлађења, угљеник у белом ливеном гвожђу преципитира из растопа као метастабилна фаза цементита, Фе₃Ц, а не графит.Цементит који се таложи из растопа формира се као релативно велике честице.Како се карбид гвожђа таложи, он повлачи угљеник из првобитног растопа, померајући смешу ка оној која је ближа еутектичкој, а преостала фаза је нижи аустенит гвожђе-угљеник (који се при хлађењу може трансформисати у мартензит).Ови еутектички карбиди су превише велики да би обезбедили корист од онога што се назива отврдњавањем преципитацијом (као у неким челицима, где би много мањи преципитати цементита могли да инхибирају [пластичну деформацију] ометајући кретање дислокација кроз матрицу чистог гвожђа ферита).Уместо тога, они повећавају запреминску тврдоћу ливеног гвожђа једноставно захваљујући својој сопственој веома великој тврдоћи и њиховом значајном запреминском уделу, тако да се запреминска тврдоћа може апроксимирати правилом мешавина.У сваком случају, они нуде тврдоћу на рачун жилавости.Пошто карбид чини велики део материјала, бело ливено гвожђе би се разумно могло класификовати као кермет.Бело гвожђе је превише ломљиво за употребу у многим структурним компонентама, али са добром тврдоћом и отпорношћу на хабање и релативно ниском ценом, налази се примену у апликацијама као што су хабајуће површине (пропелер и спирала) пумпи за смеће, кошуљице и шипке за подизање у кугли млинови и млинови за аутогено млевење, лоптице и прстенови у машинама за млевење угља и зупци корпе за копање ровокопача (иако је ливени средњеугљенични мартензитни челик чешћи за ову примену).

Тешко је охладити дебеле одливе довољно брзо да очврсну растоп као бело ливено гвожђе до краја.Међутим, брзо хлађење се може користити за учвршћивање шкољке од белог ливеног гвожђа, након чега се остатак хлади спорије да би се формирало језгро од сивог ливеног гвожђа.Добијени одлив, назван арасхлађено ливење, има предности тврде подлоге са нешто чвршћом унутрашњошћу.

Легуре белог гвожђа са високим садржајем хрома омогућавају ливење у песку масивних одливака (на пример, радно коло од 10 тона), пошто хром смањује брзину хлађења потребну за производњу карбида кроз веће дебљине материјала.Хром такође производи карбиде са импресивном отпорношћу на хабање.Ове легуре са високим садржајем хрома своју супериорну тврдоћу приписују присуству хром карбида.Главни облик ових карбида су еутектички или примарни М₇C₃карбиди, где "М" представља гвожђе или хром и може да варира у зависности од састава легуре.Еутектички карбиди се формирају као снопови шупљих шестоугаоних шипки и расту окомито на хексагоналну базалну раван.Тврдоћа ових карбида је у опсегу од 1500-1800ХВ.

Ковно гвожђе

Ковно гвожђе почиње као одлив од белог гвожђа који се затим термички обрађује дан или два на око 950 °Ц (1.740 °Ф), а затим се хлади дан или два.Као резултат тога, угљеник у карбиду гвожђа се трансформише у графит и ферит плус угљеник (аустенит).Спор процес омогућава површинском напону да формира графит у сфероидне честице, а не у љуспице.Због нижег односа ширине и висине, сфероиди су релативно кратки и удаљени један од другог, и имају мањи попречни пресек у односу на пукотину или фонону која се шири.Такође имају тупе границе, за разлику од љуспица, што ублажава проблеме концентрације напона који се налазе у сивом ливеном гвожђу.Уопштено говорећи, својства кованог ливеног гвожђа су више као код меког челика.Постоји ограничење колико велики део може бити изливен од кованог гвожђа, јер је направљен од белог ливеног гвожђа.

Нодуларно ливено гвожђе