一、石墨
（一） 石墨的形貌
球状石墨外貌近似球形，内部呈放射状，有明显的偏振光效应。经深腐蚀显露出的球状石墨的立体形貌，可在扫描电子显微镜下直接观察。经透射电子显微镜观察表明，石墨球面是由许多角锥体组成的多晶体，石墨球面则是由许多石墨基面（0001）沿切面排列组成，每个角锥体中的基面垂直于石墨球的直径，石墨的c轴呈辐射状指向球心，关于球状石墨的偏振光和形貌照片，分别示于图2-31和图2-32。
球墨铸铁中允许出现的石墨形态，除了主要是球状石墨以外，还可以有少量的非球状石墨，如团状、团絮状、蠕虫状等。国家标准 《球墨铸铁金相检验》 （GB9441—88）是球墨铸铁金相检验标准，将球化等级分为六级，见表4-4和图4-9。此外，该标准还将石墨大小分为六级，见表4-5和图4-10。
表4-4 球化分级 [ 《球墨铸铁金相检验》 （GB9441—88）]
表4-5 石墨大小分级 [ 《球墨铸铁金相检验》 （GB9441—88）]
图4-9 球状石墨球化分级 100×
（a）1级；（b）2级；（c）3级；（d）4级；（e）5级；（f）6级
图4-10 球状石墨大小分级 100×
（a）3级；（b）4级；（c）5级；（d）6级；（e）7级；（f）8级
（二） 球状石墨的结构
采用热腐蚀方法 （把球墨铸铁试样抛光后，在大气下加热至750～800K，时间为1min），然后制备复膜，在电子显微镜下观察结果得知：
（1）在每一个球状石墨中心，可以看到一个线型的黑暗纹里，其厚度大约有4μm（晶核区）。
（2）离开球心区域，就是“肋骨”组织。
（3）山形夹角θ随着距球心的距离增加而增大。
图4-11所示是球状石墨经热氧腐蚀后的扫描电子显微镜照片；图4-12所示是沿直径横切面上石墨球的主要特征示意图。
图4-11 球状石墨经热氧腐蚀后的扫描电子显微镜照片 1400×
图4-12 沿直径横切面的石墨球特征示意图
图4-13 球状石墨的贝壳组织与晶核示意图
M．J．Hunter等人分析了10个石墨球，采取逐层磨制抛光，使切面通过石墨球心，发现石墨呈年轮状分布，同时还有一个球心，而这个球心就是晶核区。采用透射和扫描电子显微镜对退火状态的球墨铸铁观察表明，石墨球呈贝壳状结构，在其间也呈贝壳状有规则地分布着Mg、Si、Ca、Fe等元素。
石墨球的最中心部分通常是由呈星状的形体组成。如果横切面未通过球心，则观察到的中心星体总是很小的；只有通过赤道面时，才能观察到最大的星体部分。星体部分则是由两部分组成，即外核部分和内核部分。其结构示意图如图4-13所示，图中1～4表示不同的横切面。
石墨球中含有大量的铁，这是因为，当石墨长大时，将铁也包裹到石墨球中，并且，此时的铁呈游离状态，它并不与石墨球的核心相结合。石墨球中含有铁可由下列事实得到证实：
（1）化学分析大量的石墨球，发现有很高的铁量。
（2）石墨球呈铁磁性。
（3）石墨球具有居里点（大约为740℃）。
（三） 球状石墨晶核的成分
采用X射线微区分析仪对石墨球的核心进行了成分分析，以便确定石墨在结晶时作为晶核的元素成分。分析结果表明，在石墨球的中心 （晶核），除了镁、硅、钙以外，还有硫，而且其浓度远比基体中的高，如图4-14所示。
对大量经过石墨球中心横切的石墨球进行的电子探针表明，石墨球含有外来质点，其直径大约为1μm，位于石墨球的中心。由此得出：
（1）石墨球在外来质点上呈多相生核。
图4-14 石墨球中心部位的元素线分布
（2）已经成核的质点具有双层结构，中间有一个晶种（内核），周围有一个外壳（外核）。
（3）在采用硅铁孕育时，石墨球中心的晶核 （内核）是钙、镁的硫化物。
（4）晶种的外围（外核）是具有尖晶石型的镁、铝、硅、钛氧化物。
图4-15 热氧腐蚀揭示的球状石墨核心 6000×
图4-15示出经热氧腐蚀后揭示的球状石墨核心，它由内核（大约为0．7μm）和外核 （大约为1μm）组成。整个核心是非碳质的，它区别于与其相邻的石墨。由此可见，球状石墨晶核是由非金属属性的硫化物及氧化物组成。