No sistema ferro‑cobre, o cobre pode dissolver‑se no ferro fundido, formando uma solução sólida líquida em uma ampla faixa de concentração. A 1477 °C, a solubilidade do cobre γ‑Fe é de 8%, e, à medida que a temperatura diminui, essa solubilidade chega a aumentar; por exemplo, a 1094 °C, a solubilidade pode atingir 8,5%. Quando a temperatura fica abaixo de 650 °C, a solubilidade aproxima‑se de um valor fixo, em torno de 0,35%. À temperatura ambiente, a solubilidade do cobre no ferro é muito pequena. Tanto no estado líquido quanto no sólido, sempre que a quantidade de cobre ultrapassa a solubilidade em determinadas temperaturas, forma‑se uma fase rica em cobre. A solubilidade do cobre no ferro fundido é de aproximadamente 3 a 5%. Manganês, alumínio, níquel e outros elementos presentes no ferro fundido aumentam a solubilidade do cobre, enquanto o magnésio reduz essa solubilidade. Com a presença de magnésio, quando o teor de cobre supera 2%, precipita‑se uma fase rica em cobre amarela, contendo cerca de 97% de cobre. À medida que o teor de cobre aumenta até 3,8%, o número de fases ricas em cobre cresce significativamente.
O cobre tem pouco efeito sobre a temperatura de transição eutética do ferro fundido. O cobre é um elemento pouco grafitizante, podendo reduzir ligeiramente a tendência à formação de friabilidade branca. Além disso, o cobre diminui a temperatura de transformação eutetoide; para cada aumento de 1% de cobre, a temperatura eutetoide reduz-se em 6 a 10 °C, desempenhando um papel na estabilização da austenita. O cobre também pode aumentar a quantidade de perlita, refinar a estrutura eutética e facilitar a obtenção de microestrutura perlítica durante o normalizamento do ferro fundido. Assim, o cobre favorece a transformação da austenita em perlita e dificulta a grafitação durante a transformação eutetoide. Adicionalmente, o cobre fortalece a ferrita e melhora sua resistência.
Quando o teor de cobre é inferior a 2,0%, não há efeito significativo sobre a taxa de esferoidização, o número de esferas e o diâmetro das esferas, sendo possível garantir uma taxa de esferoidização superior a 90%. Quando o teor de cobre ultrapassa 2%, o efeito esferoidizante passa a ser afetado: tanto a taxa de esferoidização quanto o número de esferas diminuem abruptamente. Ao atingir 2,5% de cobre, surgem grafite aglomerado e uma fase rica em cobre de cor amarelada. A fase rica em cobre apresenta ponto de fusão mais baixo que o do ferro fundido líquido. Após a precipitação do grafite, essa fase rica em cobre pode envolver parte do grafite, fazendo com que o grafite evolua gradualmente de forma esférica para aglomerada.
A anti-esferoidização do cobre está relacionada a outros elementos. Por exemplo, em ferro fundido nodular com magnésio contendo 0,04% de titânio, se surgir grafite aglomerado na classe de cobre de 0,94%, a adição de 0,02–0,03% de cério pode neutralizar esse efeito anti-esferoidizante do cobre.
A influência do cobre sobre o efeito nodulizante está relacionada ao tamanho e à espessura da peça fundida. Adicionando 3–4% de cobre a uma peça com espessura de parede superior a 300 mm, é possível eliminar o grafite aglomerado no núcleo da peça. Cabe ressaltar que esse efeito do cobre só é eficaz quando associado à adição de elementos de terras raras.
O cobre promove a formação de perlita no ferro fundido nodular, sendo esta dez vezes maior que a do níquel, mas apenas um décimo da estanho. Na prática, adiciona-se cerca de 0,5% de cobre para que o teor de perlita em uma barra de teste de ferro dúctil de 25 mm atinja 90%; quando se adiciona 1,5% de cobre, o teor de perlita aproxima-se de 100%; porém, acima de 1,5%, surge ferrita em seu lugar. Esse efeito benéfico do cobre possibilita obter ferro dúctil perlítico como fundido, sem necessidade de tratamento térmico.
Efeito do cobre nas propriedades do ferro fundido cinzento. Quando o teor de cobre é inferior a 0,5%, a resistência à tração, o limite de escoamento e o módulo de elasticidade aumentam, embora essa relação não seja linear. Com aproximadamente 0,8% de cobre, a resistência atinge valores elevados. No entanto, à medida que o teor de cobre cresce, a tenacidade ao impacto do ferro fundido cinzento diminui.
O cobre afeta as propriedades mecânicas do ferro fundido nodular ao promover a formação de perlita e fortalecer a matriz metálica. Com pequenas quantidades de cobre (abaixo de 0,5%), o teor de perlita aumenta significativamente, assim como a resistência à tração, o limite de escoamento e a dureza, enquanto o alongamento diminui acentuadamente. Quando a quantidade adicionada ultrapassa 0,5%, a matriz passa a ser perlítica, mas a resistência e a dureza continuam a crescer, e o alongamento já não reduz mais. Isso ocorre porque o cobre reforça a matriz metálica. Além disso, o cobre possui a capacidade de promover a formação de esferas finas de grafite, o que melhora a resistência à fadiga do ferro fundido nodular contendo cobre.
A solubilidade sólida do cobre no ferro fundido à temperatura ambiente é de 0,35%. A adição de mais de 0,5% de cobre altera a taxa de difusão dos átomos de carbono durante as transformações austenítica e eutetóide, favorecendo a formação de perlita e refinando-a. Ao resfriar a peça fundida, especialmente durante o envelhecimento, o cobre precipita da solução sólida, fortalecendo a matriz e melhorando significativamente a microdureza da perlita. O aumento do teor de cobre pode incrementar a resistência ao desgaste das peças fundidas. Durante o recozimento de alívio de tensões, o cobre não reduz a dureza, mas ainda eleva o valor HB10.