(完整版)第二章 铸铁的结晶及组织形成

铸 铁及熔炼
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。
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。
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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.
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
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
一、 Fe-C 及 Fe-C-Si 状铸态图铁 及 熔 炼
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
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§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
实践证明，Fe- P熔体对冷却度十分敏感， 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

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Leabharlann Baidu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.
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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 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。
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. 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 ; (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
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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:
(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.
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(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 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。 故硅既是促进共晶石墨化元素也是促进共析石墨化元素。
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.
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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.