第二章 铸铁的结晶及组织形成

Si、Ni促进石墨析出； Cr Mo促进Fe3C析出
四）对共晶、共析碳量的影响
共晶点共析点向左、右移动，移动的多少与元素 各类及含量有关。 五） 影响石墨共晶的临界过冷度
T TE / (1 KG / KC )
KE 与 KC 分别为与石墨共晶与渗碳体共晶生长速 度有关的常数
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五、碳当量和共晶度的意义及表达 式
铸 铁 及 熔 炼



Fe+Fe3C与Fe+G相图的不同处:
1)共晶: L(C4.26%)→2.1%C+G 共晶温度1153度 L(C4.3%)→ 2.14%C+Fe3C 共晶温度1147度 2)共析: Y(C0.69%)→a+G 共析温度736度
Y(C0.76%)→a+Fe3C 共析温度727度 从相图可以明显看出,当冷却速度慢时,可以得到G,冷却速度快时则可以 得到Fe3C.
铸 铁 及 熔 炼

铸铁的实际成分不仅含 Fe 、 C 还有 Si 、 Mn、S 、 P 等 , 其中 Fe 、
C 、 Si 是主要元素 , 因 此 , 与其用 Fe-C 状态图还不如用 Fe-C-Si 三元素状态图来说明铸铁的组织变化更加确切。

三元系状态图是立体图 , 结构复杂 , 绘制困难 , 使用不便。为了便于
Fe—C合金中各元素对某性能的影响可以折算成含碳量的 增减，我们把各元素对某性能的影响折算成含碳量的 增减以后所得到的含碳量称为碳当量。 例如，不同元素对共晶点的影响可用下式来表示：
SC C / CC C / [4.28 0.3( Si P)] CE=C+0.3(Si+P)+0.4S0.03Mn≈C+0.3(Si+P) ≈C+Si/3
二） 影响形核及生长方式 1、对初生奥氏体的影响 La、Ce等表面活性元素能促使分枝细化
2、对石墨共晶的影响
Cu ∆TE 上升 生长速度下降 细化晶粒
V 、Ti 形成碳氮化合物细化共晶团
碱土族、稀土具有表面活性使石墨球化 3、对渗碳体、共晶结构的影响 Cr%>12%时，M7C 形成特殊碳化物 V%>10%时 VC


①铸型蓄、导热能力和冷却条件；
②铸件的当量厚度。可见：在铸件结构确定的条件下，改变 铸型性质对冷却速度产生直接影响；另一方面在铸型材料和 冷却条件一定的情况下，碳、硅含量高，浇注温度高，铸件 当量厚度大，浇速快，冷却速度就慢（设该冷速为V1）。反 之，碳、硅含量低，浇注温度低，铸件薄，浇注慢，冷却速 度就快（设该冷速为V2），并设V1与与V2之间的冷速为 V3，则将冷却速度对铸铁形成高碳相种类及比例的影响讨论 如下：（为讲清过程，略去对液相、固相溶质浓度、温度变 化的附加标注）。
结论:

Fe- G系和Fe- G-Si系中的石墨在固态条件下不再变化，故这 两个结晶系统称为稳定系，而Fe-Fe3C 和Fe-Fe3C-Si中的
Fe3C在固态条件下不一定稳定，当材料被重新加热到共析温度
以上时Fe3C将分解为奥氏体和石墨，故Fe-Fe3C和Fe-Fe3CSi统称为介稳定系。
铸 铁 及 熔 炼
二） 影响形核及生长方式 1、对初生奥氏体的影响 La、Ce等表面活性元素能促使分枝细化
2、对石墨共晶的影响
Cu ∆TE 上升 生长速度下降 细化晶粒
V 、Ti 形成碳氮化合物细化共晶团
碱土族、稀土具有表面活性使石墨球化 3、对渗碳体、共晶结构的影响 Cr%>12%时，M7C 三）二次高碳相 形成特殊碳化物 V%>10%时 VC
§2 灰铸铁的一次结晶过程

2.1 出生奥氏体的结晶 2.2 共晶凝固 2.3 石墨的晶体结构及片状石墨长大
2.1 出生奥氏体的结晶
1. 奥氏体各阶段情况：
铸铁及熔炼
1)当亚共晶铁水冷却到液相线以下时即变成过饱和溶液,奥氏体开始从熔体中 析出,随着温度下降,和奥氏体平衡的铁水含碳量沿液相线变化,碳浓度随温度下 降而上升,与此同时已结晶的奥氏体含碳量沿固相线变化,随温度下降也上升,至 共晶平衡温度时,奥氏体最大溶解度为 2.11%C,铁水含碳量为4.26%. 2)在凝固过程中L/γ界面上不断发生铁碳原子迁移,碳原子从γ一侧向熔体方向扩



概要
平衡状态图是反映合金的成分、温度、组织三者之间相互关系的重要工 具，利用该图有助于了解高纯合金在平衡条件下的组织转变过程。

实践证明 , 当借助状态图来研究合金的组织变化时 还应注意动力学方面
的问题 , 即外部条件 , 如冷却速度、某种添加元素对状态图的影响
铸 铁 及 熔 炼 一、 Fe-C 及 Fe-C-Si 状态图
共析
+G+Ld
A+G+Ld+Fe3C
P+G＋Ld+Fe3C
§1 白口铸铁的一次结晶过程



白口铸铁的一次结晶按照Fe－Fe3C状态图来描述。 介稳定系Fe－C合金的共晶组织为渗碳体/奥氏体共晶团， 即莱氏体共晶。莱氏体中的奥氏体和渗碳体以片状协同生 长方式，同时在侧向上以奥氏体为分隔晶体的蜂窝结构生 长，即共晶渗碳体的（0001）面是共晶团的基础，排列的 很整齐的奥氏体芯棒沿[001]方向嵌入渗碳体基体，形成 蜂窝状共晶团。 亚共晶白口铁中出生相为奥氏体，奥氏体呈树枝状生长， 形成沿散热方向得到主要发展的树枝晶粒。随温度下降， 奥氏体晶粒不断增大，残留液相成分逐渐富碳接近共晶成 分，至共晶温度以下，发生共晶转变，最后形成树枝状出 生奥氏体和莱氏体组成。 过共晶白口铁出生相为渗碳体，呈锯齿状边缘的板状式生 长，随温度下降，渗碳体奥氏体晶粒不断增大，残留液相 成分逐渐富碳接近共晶成分，至共晶温度以下，发生共晶 转变，最后形成渗碳体和莱氏体。莱氏体中的奥氏体经共 析转变为珠光体。


铸 铁 及 熔 炼
(4) 硅减少共晶点和共析点的含碳量 , 本质上是促进液态石墨化
和固态石墨化 , 因为共晶 点含碳量是碳在铁水中的最大溶解 度 , 共析点含碳量是共析反应温度下碳在奥氏体中的最大 溶解 故硅既是促进共晶石墨化元素也是促进共析石墨化元素。
度。溶解度减小意味着碳的析出能力增大 , 或石墨化能力提高。

(3) 在缓慢冷却条件下 , 碳有足够的时间聚集为石墨 ，如灰口铁和球墨铸 铁。

2.Fe-C相图的二重性
金属学中已经学习了Fe- Fe3C相图,讨论了碳钢和白口铁的结晶过程和组织,
但实际生产中常常会在高碳的铁碳合金中有石墨结晶出来.

从热力学角度看,Fe3C的自由能高于石墨,所以,高温时渗碳体能自动分解为 奥氏体和石墨,从动力学角度看,形成渗碳体所需要的碳原子比生成石墨所需 要的碳原子少的多.因而,在某种条件下,奥氏体加石墨的共晶转变还不如莱氏 体共晶转变容易. 因此:热力学-Fe+Fe3C相图只是介稳定系(虚线)的, Fe+G相图才是稳定系(实 线)的.动力学-在一定条件下,按Fe+Fe3C相图转变亦是可能的,因此就出现了 铁碳双重相图--见教材图1.1.
3. 硅显著改变 Fe-C 系的临界温度和各临界点的含碳量 和改变铸铁的组织 的作用:

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(1) 奥氏体液相线和固相线温度均随硅量增加而下降 , 意味着增加硅量可 提高铁水的过热度 ( 浇注温度与凝固点之差 ) 和流动性 , 改善铁水的铸造 性能。 (2) SI的加入出现了三相共存区,说明共晶和共析转变是在一个温度范围内 进行的,且共析转变温度范围随硅量的增加而扩大.随着含硅量提高 , 共析 反应起始温度和终了温度上升 , 共析反应温度范围扩大 , 如图 2.10 所 示 , 这表明硅促使奥氏体在更高的温度分解或转变。更高的共析反应温度 有利于 Fe 、 C 原子的扩散和聚集 , 促进奥氏体向铁素体转变 , 即提高基 体铁素体化的能力。 (3) 硅使 r 相区缩小 , 即减少碳在奥氏体中的溶解度 , 促使碳从奥氏体中 析出。换言之 , 硅降低了奥氏体的稳定性 , 使其转变更加容易。当 SI>10%,奥氏体趋于消失.
碳相，对应这些组织给了下列的称谓。
① 结晶过程全部以V2凝固，其组织接上述V2分析（也就 是按Fe－Fe3C状态图分析）。名谓：白口铸铁。 ② 结晶过程全部以V1凝固，其组织按上述V1分析（也就 是Fe－G状态图分析）。名谓：铁素体灰铸铁。
③ 二次结晶共析阶段按V2凝固，其它过程按V1凝固。
名谓： 珠光体灰铸铁。 L
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当冷却速度很快或孕育不佳时，共晶反应 温度降至945℃，共晶点含磷量从10.5% 增加到12.5%。
三、常见元素对铁碳相图上个临界 点的影响
影响：1 促进灰口或白口
2 形核及生长
3 二次结晶 4 共晶、共析点的移动 5 影响石墨共晶的临界过冷度 一） 促进灰口或白口的元素：
灰口 Si Al Ni Co Cu←→Mn Mo Sn Cr V Sb Te 白口
研究 , 通常用一定含硅量的 Fe-C 状态图或 Fe-C-Si 状态图的某一个截 面图来分析铸铁的组织变化。

图 2.9 所示为含 2.4%Si 的 Fe-C 状态图 , 显然这是变了形的 Fe-C 状 态图。也就是说硅改变了 Fe-C 状态图的 形状 , 改变了 Fe-C 系合金的 结晶过程 , 使液相线、固相线及各临界点的位置发生了变化。


3. Fe- P状态图如图 2.11所示。磷在αFe中的最大溶解度为2.8%，温度下降时溶 解度减小，从α- Fe中析出的磷不是单质而 是化合物Fe3P。在1050℃时α- Fe和 Fe3P形成二磷共晶Fe-Fe3P，共晶点含 10.5%P，这样高的含磷量完全是晶界局部 偏析的结果。 实践证明，Fe- P熔体对冷却度十分敏感，
第二章 铸铁的结晶及组织形 成
§第一节 铁碳双重相图 §第二节 铸铁的结晶过程 §第三节 铸铁的组织影响因素
重点：铁碳相图的二重性、铸铁的一次、 二次结晶过程 难点：铁碳合金在结晶过程的影响因素
铸 铁 及 熔 炼
§第一节 铁碳双重相图

概要 一、 Fe-C 及 Fe-C-Si 状态图 二、Fe- P 和 Fe- C-P状态图
二、Fe- P 和 Fe- C-P状态图


1. 磷作为杂质元素主要由炉料（如生铁、 回炉料）带入，只是为了提高耐磨性或需要 特别提高流动性时才有意加入适量的磷。铸 铁含磷量一般少于0.2%，高磷铸铁含 （0.4%～1.0%）P。 2. 磷共晶是一种硬脆相如数量过多将增大 材料的脆性，并且由于磷共晶比金属基体有 更大的体收缩而使铸铁产生显微疏松缺陷。
（1）一次结晶 亚共晶铸铁： L 共晶铸铁： L V1 V2 V1 A+G A+Fe3C A+G
L +A初晶
V2
过共晶铸铁： V1 L V2
A+Fe3C
A+G初晶 V1 V2 A+Fe3C初晶 V1 A+G
A+Fe3C+G初晶
A+G+Fe3C初晶
V2
A+Fe3C
（2）二次结晶 中间阶段（A脱碳）：
共晶
A+G
中间
A脱 +G
共析
P+G
④ 二次结晶共析阶段按V3凝固，其它过程按V1凝固。
名谓： 珠光体+铁素体灰铸铁 L
共晶
A+G
中间
A脱 +G
共析
P+F+G
⑤ 一次结晶及二次结晶中间阶段按V3凝固，共析阶段按V2凝 固：名谓：麻口铁
L
V1
V2
A+G
A+G+Ld A+Fe3C V3
中间
A+G A+Fe3C
铁水含碳量与共晶点含碳量之比称为共晶度。
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铸 铁 及 熔 炼
铸 铁 及 熔 炼
§第二节 铸铁的结晶过程


§1 §2 §3 §4
白口铸铁的一次结晶过程 灰铸铁的一次结晶过程 球墨铸铁的一次结晶过程 铸铁的二次结晶过程
冷却速度对铸铁组织的影响

铸件凝固过程中的冷却速度主要取决于：
V1 A+G A+Fe3C
A
V2
共析阶段：
V1 A V2 F+Fe3C F+G
V3也是生产实践中实际存在的一种介于V1—V2之间的可变
的冷速，它可能发生在一次结晶，二次结晶的全过程，也可能
发生在某个过程或发生在某个过程的某个阶段，且发生的程度 也不尽一致。针对实际发生的不同冷速所形成的不同种类的高

1. 碳 在 铸铁中三种存在形式 (l) 固溶于金属基体。碳在高温奥氏体中的最大溶解度为2.0%, 在铁素体和 珠光体中的最大溶解度分别为 0.02% 和 0.77%, 其余则以高碳相形式存在 ;

(2) 在快速凝固的条件下 , 除少量碳固溶于金属基体外 , 大部分碳将与铁 结合成化合物Fe3C，如白口铁 ;