铸造合金及其熔炼---第1章 铸铁的结晶及组织的形成
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于是，逆向求解似乎可得到材料的制备的关键参数
⎡化 学成 份 ⎤ ⎡微观组织 ⎤ ⎢ ⎥ （力学）性能 ⎡ ⎤ ⎣ ⎦ ⇒ ⎢晶 粒 度 ⎥ ⇒ ⎢热处理工艺 ⎥ ⎣ ⎦ ⎢制 备工 艺 ⎥ ⎣ ⎦
遗憾的是自然界大大小小的系统，大多数都是不可控 的，不可逆的，即使可控，也不是一一对应的。 可观，可测，可控的概念 于是，材料科学唯一可行的研究方法就是上述过程的 反过程。
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三、共晶的凝固过程
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（一）稳定系共晶转变（A、G）
1、共晶团生长模式 晶核：亚微观 G聚体、细微 G颗粒、 高熔点夹杂物（ S、 N、 C、O化物） 长大： G先长， A 后长，相伴生长，形成共晶团。图 1-7
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2、共晶团的数量
决定于成核及生长条件， 遵守结晶规律（过冷度大，非均质晶核多）
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“专头”能够借助于经验和第六感觉可以将这个 过程分解细化成几个环环相连的子过程。 普通研究者大多数就是反反复复从头试验到尾
组织类型形状大小多少； 气体含量；夹杂；偏析
化学成份
热处理工艺
制备工艺
微观组织
晶粒度
加工各种 试 样
判 断 性 能 No
Y es
结束研究
反复试验 调整参数
升温，保温 和冷却时间
, Mn , P, S Si, Mn, 五大元素: C, Si
⎧ ⎧ ⎧灰铸铁 � ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪铸铁 ⎪球墨铸铁 ⎨ ⎪ ⎪ ⎪蠕墨铸铁 ⎪ ⎪ ⎪可锻铸铁 ⎪铸造铁合金 ⎪ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ ⎧铸造碳钢 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪铸钢 ⎪ ⎧低合金钢 ⎨ ⎪ ⎪ 铸造合金钢 ⎨ ⎪ 铸铁 � ⎪ ⎪ ⎩高合金钢 ⎩ ⎩ ⎪ 含碳量大于 2.14 wt% ⎪ ⎧ ⎧铝硅合金 铸造成形方法是一种很古老的金属热成形方法。 铸造合金 ⎨ ⎪ 或者组织中具有共晶组 ⎪ ⎪ 与其他热和冷成形相比，具有绝对的优势： ⎪铝铜合金 ⎪ 铸造铝合金 织的铁基合金 ⎨ ⎪ ⎪ 1 ）合金成分基本不受限制 ⎪铝镁合金 ⎪ ⎪ � 铸钢 ⎪铝锌合金 ⎪ ⎪ ⎩ 2 ）零件形状基本不受限制 ⎪ 在凝固过程中不经历共 ⎪ ⎧青铜 ⎪铸造非铁合金 ⎨ 3 ）精密铸造，近终一次成形（零加工余量） 晶转变的鉄基合金 ⎪ ⎪铸造铜合金 ⎨黄铜 ⎩ ⎪ ⎪ 含碳量小于 2.14 wt% ⎪ ⎪ ⎧镁铝 ⎪ ⎪铸造镁合金 ⎨ ⎪ ⎪ ⎩镁锌 ⎪ ⎪ ⎩铸造锌合金 ⎩
（三） A 枝晶中成分偏析 1、 C偏析：先析 C%低、后长 C%高 逐渐增高 2、其它元素偏析 初析 A 中 Si高、 Mn低， 液体 Si低、 Mn高 分配系数 Kp：=XA/XL （ 相间不均） 偏析系数 Kl： =A中心浓度 /A边缘浓度 （相内不均） Kp﹥1 Kl﹥1反偏析 （ Si、Al、 Cu、 Ni）（与 C亲和力小的元素） Kp﹤1 Kl﹤1正偏析（ Mn、W、 Mo、 V）（与 C亲和力大的元素） 偏析对铸铁质量影响很大
大范围调整
小范围调整
化学成份
铸（初）态 组 织 铸（初）态 晶 粒 度
制备工艺 热处理
微观组织 晶粒度
力 学 性 能
所以，我们这门课要研究的内容包括： 金属材料的熔化、精炼—如何得到高质量的金属液体？ 金属液体的冷却、结晶—如何得到期望的微观组织和晶粒度？ 金属零件的制备、处理—如何得到满意的金属制品？
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1、A和Fe3C以片状协同生长（莱氏体） 侧向蜂窝状结构
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2、板条状Fe3C+A（离异型共晶体） 过冷度大时易形成 3、加稀土元素变质处理细化 图1-21
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（六）磷共晶的形成(>0.05%)
1、磷共晶 二元（ Fe+Fe3P ） 三元（ Fe+Fe3P+Fe3C） 2、形成及形状 熔点低，晶界处形成。 (正偏析 , 偏析系数 60左右 ) 不连续网状、孤岛状 3、性能及作用
1、碳：越高越易得石墨 （1）共晶点、共析点随硅的增加而减小 2、硅 、硅（ （2）共晶、共析转变存在三相共存区 （3）共晶、共析转变温度提高了 （4）缩小了相图的A区（硅提高）
四、铸铁中常见元素对铁碳相图上的临界点的影响
五、碳当量、共晶度
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1、碳当量： CE=C+1/3（Si+P） 2、共晶度： Sc=C铁/C理论=C铁/（4.26%-1/3 （Si+P）） Sc＞1 Sc ＜1 Sc=1
第一章：灰铁的结晶及组织的形成
第一节：铁-碳双重相图 第二节：铸铁的一次结晶过程 第三节：铸铁的二次结晶过程
第一节：铁 -碳双重相图
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一、铁碳相图的二重性 Fe3C不稳定 Fe-C是稳定的 从热力学观点： Fe-Fe3C相图只是介 稳定的，而 Fe-C相图是稳定。 从动力学观点：在一定条件下，相 变可能按 Fe-Fe3C相图转变。
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二、铁 -碳双重相图及分析
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1、共晶系：L----A+G L----A+Fe 3C 2、共析系：A----F+G A----F+Fe 3C 按那个转变与什么有关？ 3、应用： 应用：按那个转变与什么有关？ 冷却速度 化学成分 C Si
三、铁 -碳-硅准二元相图
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螺旋位错理论 其他理论有待验证
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（四）蠕虫状 G的形成过程
两种方式： 1、先生成小球-畸变-沿没被A包围的出口与铁液接触 长大而成 2、先生成小片-蠕化元素富集逐渐演变而成
一般：浓度大时 按前一种生长（蠕化元素） 浓度小时 按后一种生长
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最常见的解释
其它有待研究
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（五）亚稳定系共晶转变过程
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（四）影响A枝晶数量、粗细的因素
（骨架 对组织性能影响很大）
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1、合金元素的影响
Si/C比的影响（相同碳当量） 越大，初析 A 增多 图 1-5 C%增大，枝晶细化 图 1-6
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其它元素： S的影响：增大，粗化 V、Ti促使A形成并细化 其它元素有待研究 2、冷却速度 越大，A越多，并细化 （五）初始A的显示方法（自己看）
第二节 铸铁的一次结晶过程
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（过 共晶）粗大片状 一、初析 G的结晶 的结晶（过 （过共晶）粗大片状 二、初析 A的结晶（亚共晶） （一）初析 A枝晶的凝固过程 形核、长大 （二）初析 A型态 枝晶不平衡生长 二维切面各种形态（形态不同）
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3、影响
共晶凝固膨胀力大， 增大了缩松倾向 （ 由于G形成）
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（二）G的晶体结构 及片状G长大 1、G晶体结构 六方晶格结构
存在缺陷：旋转晶界，螺旋位错，倾斜孪晶
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2、长大 ： 螺旋晶界长大 图1-10
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3、G片的分类及分级
表1-6 表1-7 图1-12
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（三）球状G形成过程（球化处理）
第三节 铸铁的固态相变
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一、A中碳的析出
稳定系 A A+ G 亚稳定系 A A+ Fe3C
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二、铸铁的共析转变
1、形貌 片状Fe3C G （难存在） 2、形核 白口铁 先Fe3C、后F 灰口铁 先G 、后F 3、生长 过冷度大、片小、晶细
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三、过冷A的中低温转变
（以 C曲线介绍即可） A B下、 B上、 M、 A
铸造合金： 可通过铸造成形 方法制备的合金
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Why? 为什么学？ 性能的 � What? 学什么？ 数学描述 � How? 怎么学？ 研究材料科学的目的：制备满足人类需求的材料 （或合金） 人类对材料的需求随使用场合（工况，环境，部位） 而不同，即不同的场合，要求材料具有不同的性能 （力学，电学，磁学，光学和介电，热力学），如： 航空航天—硬，韧，轻而耐高温，航海—硬，韧，耐 腐蚀，核工业—硬，韧，防辐射，……
1、球状G结构
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2、球状G的形成条件
两个必要条件 较大过冷度 较大铁液与G界面张力 球化剂：消除S、O的作用 （减小张力） 一定残留量
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3、球墨铸铁的共晶转变
生核 长大
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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4、球状 G形成机理 （ 1）G晶核的产生及性质 Mg、 Ca形成 O、S化物， 消除 O 、S有害作用， 做 G的核心，形成晶核 （2） G长大机理
什么是相？相是材料中在化学和 结构上均匀的区域
研究工具：合金相图，具体说：铁碳相图 � 研究内容： 1. 液态金属在共晶线以下冷却结晶时微观组织的变 化---- 金属凝固得到铸态组织 2. 固态金属在共析线以下冷却结晶时微观组织的变 化---- 热处理调整微观组织和晶粒度 研究问题主要包括: (1)微观组织的类型、形态、大小、多少 (2)成分偏析（晶内和晶间） (3)微观组织的形核、生长和形成过程 (4)合金元素对微观组织的影响
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课件教材：
铸造合金及其熔炼，陆文华（西安交大），机械 工业出版社
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强力推荐材料科学学习资料：
The Science and Design of Engineering Materials, James P. Schaffer et al, Mcgraw-Hill Companies, Inc. (机械工业出版社已出版了中译本，国外高校优秀 教材系列)
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于是，逆向求解似乎可得到材料的制备的关键参数
⎡化 学成 份 ⎤ ⎡微观组织 ⎤ ⎢ ⎥ （力学）性能 ⎡ ⎤ ⎣ ⎦ ⇒ ⎢晶 粒 度 ⎥ ⇒ ⎢热处理工艺 ⎥ ⎣ ⎦ ⎢制 备工 艺 ⎥ ⎣ ⎦
遗憾的是自然界大大小小的系统，大多数都是不可控 的，不可逆的，即使可控，也不是一一对应的。 可观，可测，可控的概念 于是，材料科学唯一可行的研究方法就是上述过程的 反过程。
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三、共晶的凝固过程
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（一）稳定系共晶转变（A、G）
1、共晶团生长模式 晶核：亚微观 G聚体、细微 G颗粒、 高熔点夹杂物（ S、 N、 C、O化物） 长大： G先长， A 后长，相伴生长，形成共晶团。图 1-7
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2、共晶团的数量
决定于成核及生长条件， 遵守结晶规律（过冷度大，非均质晶核多）
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“专头”能够借助于经验和第六感觉可以将这个 过程分解细化成几个环环相连的子过程。 普通研究者大多数就是反反复复从头试验到尾
组织类型形状大小多少； 气体含量；夹杂；偏析
化学成份
热处理工艺
制备工艺
微观组织
晶粒度
加工各种 试 样
判 断 性 能 No
Y es
结束研究
反复试验 调整参数
升温，保温 和冷却时间
, Mn , P, S Si, Mn, 五大元素: C, Si
⎧ ⎧ ⎧灰铸铁 � ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪铸铁 ⎪球墨铸铁 ⎨ ⎪ ⎪ ⎪蠕墨铸铁 ⎪ ⎪ ⎪可锻铸铁 ⎪铸造铁合金 ⎪ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ ⎧铸造碳钢 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪铸钢 ⎪ ⎧低合金钢 ⎨ ⎪ ⎪ 铸造合金钢 ⎨ ⎪ 铸铁 � ⎪ ⎪ ⎩高合金钢 ⎩ ⎩ ⎪ 含碳量大于 2.14 wt% ⎪ ⎧ ⎧铝硅合金 铸造成形方法是一种很古老的金属热成形方法。 铸造合金 ⎨ ⎪ 或者组织中具有共晶组 ⎪ ⎪ 与其他热和冷成形相比，具有绝对的优势： ⎪铝铜合金 ⎪ 铸造铝合金 织的铁基合金 ⎨ ⎪ ⎪ 1 ）合金成分基本不受限制 ⎪铝镁合金 ⎪ ⎪ � 铸钢 ⎪铝锌合金 ⎪ ⎪ ⎩ 2 ）零件形状基本不受限制 ⎪ 在凝固过程中不经历共 ⎪ ⎧青铜 ⎪铸造非铁合金 ⎨ 3 ）精密铸造，近终一次成形（零加工余量） 晶转变的鉄基合金 ⎪ ⎪铸造铜合金 ⎨黄铜 ⎩ ⎪ ⎪ 含碳量小于 2.14 wt% ⎪ ⎪ ⎧镁铝 ⎪ ⎪铸造镁合金 ⎨ ⎪ ⎪ ⎩镁锌 ⎪ ⎪ ⎩铸造锌合金 ⎩
（三） A 枝晶中成分偏析 1、 C偏析：先析 C%低、后长 C%高 逐渐增高 2、其它元素偏析 初析 A 中 Si高、 Mn低， 液体 Si低、 Mn高 分配系数 Kp：=XA/XL （ 相间不均） 偏析系数 Kl： =A中心浓度 /A边缘浓度 （相内不均） Kp﹥1 Kl﹥1反偏析 （ Si、Al、 Cu、 Ni）（与 C亲和力小的元素） Kp﹤1 Kl﹤1正偏析（ Mn、W、 Mo、 V）（与 C亲和力大的元素） 偏析对铸铁质量影响很大
大范围调整
小范围调整
化学成份
铸（初）态 组 织 铸（初）态 晶 粒 度
制备工艺 热处理
微观组织 晶粒度
力 学 性 能
所以，我们这门课要研究的内容包括： 金属材料的熔化、精炼—如何得到高质量的金属液体？ 金属液体的冷却、结晶—如何得到期望的微观组织和晶粒度？ 金属零件的制备、处理—如何得到满意的金属制品？
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1、A和Fe3C以片状协同生长（莱氏体） 侧向蜂窝状结构
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2、板条状Fe3C+A（离异型共晶体） 过冷度大时易形成 3、加稀土元素变质处理细化 图1-21
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（六）磷共晶的形成(>0.05%)
1、磷共晶 二元（ Fe+Fe3P ） 三元（ Fe+Fe3P+Fe3C） 2、形成及形状 熔点低，晶界处形成。 (正偏析 , 偏析系数 60左右 ) 不连续网状、孤岛状 3、性能及作用
1、碳：越高越易得石墨 （1）共晶点、共析点随硅的增加而减小 2、硅 、硅（ （2）共晶、共析转变存在三相共存区 （3）共晶、共析转变温度提高了 （4）缩小了相图的A区（硅提高）
四、铸铁中常见元素对铁碳相图上的临界点的影响
五、碳当量、共晶度
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1、碳当量： CE=C+1/3（Si+P） 2、共晶度： Sc=C铁/C理论=C铁/（4.26%-1/3 （Si+P）） Sc＞1 Sc ＜1 Sc=1
第一章：灰铁的结晶及组织的形成
第一节：铁-碳双重相图 第二节：铸铁的一次结晶过程 第三节：铸铁的二次结晶过程
第一节：铁 -碳双重相图
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一、铁碳相图的二重性 Fe3C不稳定 Fe-C是稳定的 从热力学观点： Fe-Fe3C相图只是介 稳定的，而 Fe-C相图是稳定。 从动力学观点：在一定条件下，相 变可能按 Fe-Fe3C相图转变。
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二、铁 -碳双重相图及分析
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1、共晶系：L----A+G L----A+Fe 3C 2、共析系：A----F+G A----F+Fe 3C 按那个转变与什么有关？ 3、应用： 应用：按那个转变与什么有关？ 冷却速度 化学成分 C Si
三、铁 -碳-硅准二元相图
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螺旋位错理论 其他理论有待验证
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（四）蠕虫状 G的形成过程
两种方式： 1、先生成小球-畸变-沿没被A包围的出口与铁液接触 长大而成 2、先生成小片-蠕化元素富集逐渐演变而成
一般：浓度大时 按前一种生长（蠕化元素） 浓度小时 按后一种生长
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最常见的解释
其它有待研究
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（五）亚稳定系共晶转变过程
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（四）影响A枝晶数量、粗细的因素
（骨架 对组织性能影响很大）
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1、合金元素的影响
Si/C比的影响（相同碳当量） 越大，初析 A 增多 图 1-5 C%增大，枝晶细化 图 1-6
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其它元素： S的影响：增大，粗化 V、Ti促使A形成并细化 其它元素有待研究 2、冷却速度 越大，A越多，并细化 （五）初始A的显示方法（自己看）
第二节 铸铁的一次结晶过程
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（过 共晶）粗大片状 一、初析 G的结晶 的结晶（过 （过共晶）粗大片状 二、初析 A的结晶（亚共晶） （一）初析 A枝晶的凝固过程 形核、长大 （二）初析 A型态 枝晶不平衡生长 二维切面各种形态（形态不同）
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3、影响
共晶凝固膨胀力大， 增大了缩松倾向 （ 由于G形成）
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（二）G的晶体结构 及片状G长大 1、G晶体结构 六方晶格结构
存在缺陷：旋转晶界，螺旋位错，倾斜孪晶
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2、长大 ： 螺旋晶界长大 图1-10
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3、G片的分类及分级
表1-6 表1-7 图1-12
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（三）球状G形成过程（球化处理）
第三节 铸铁的固态相变
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一、A中碳的析出
稳定系 A A+ G 亚稳定系 A A+ Fe3C
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二、铸铁的共析转变
1、形貌 片状Fe3C G （难存在） 2、形核 白口铁 先Fe3C、后F 灰口铁 先G 、后F 3、生长 过冷度大、片小、晶细
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三、过冷A的中低温转变
（以 C曲线介绍即可） A B下、 B上、 M、 A
铸造合金： 可通过铸造成形 方法制备的合金
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Why? 为什么学？ 性能的 � What? 学什么？ 数学描述 � How? 怎么学？ 研究材料科学的目的：制备满足人类需求的材料 （或合金） 人类对材料的需求随使用场合（工况，环境，部位） 而不同，即不同的场合，要求材料具有不同的性能 （力学，电学，磁学，光学和介电，热力学），如： 航空航天—硬，韧，轻而耐高温，航海—硬，韧，耐 腐蚀，核工业—硬，韧，防辐射，……
1、球状G结构
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2、球状G的形成条件
两个必要条件 较大过冷度 较大铁液与G界面张力 球化剂：消除S、O的作用 （减小张力） 一定残留量
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3、球墨铸铁的共晶转变
生核 长大
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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4、球状 G形成机理 （ 1）G晶核的产生及性质 Mg、 Ca形成 O、S化物， 消除 O 、S有害作用， 做 G的核心，形成晶核 （2） G长大机理
什么是相？相是材料中在化学和 结构上均匀的区域
研究工具：合金相图，具体说：铁碳相图 � 研究内容： 1. 液态金属在共晶线以下冷却结晶时微观组织的变 化---- 金属凝固得到铸态组织 2. 固态金属在共析线以下冷却结晶时微观组织的变 化---- 热处理调整微观组织和晶粒度 研究问题主要包括: (1)微观组织的类型、形态、大小、多少 (2)成分偏析（晶内和晶间） (3)微观组织的形核、生长和形成过程 (4)合金元素对微观组织的影响
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课件教材：
铸造合金及其熔炼，陆文华（西安交大），机械 工业出版社
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强力推荐材料科学学习资料：
The Science and Design of Engineering Materials, James P. Schaffer et al, Mcgraw-Hill Companies, Inc. (机械工业出版社已出版了中译本，国外高校优秀 教材系列)