《合金材料及熔炼》课程教学大纲

《合金材料及熔炼》课程教学大纲
一、课程名称（中英文）
中文名称：合金材料及熔炼
英文名称：Alloy Materials and Smelting
二、课程编码及性质
课程编码：0817711
课程性质：专业模块课，选修课
三、学时与学分
学时：32
学分：2.0
四、先修课程
金属学与热处理，工程传热学，材料成型理论基础
五、授课对象
本课程面向材料成型及控制工程专业学生开设，也可以供材料科学与工程专业学生选修。

六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）
本课程是第七学期开设的一门专业模块选修课，教学目标包括：
1. 使学生了解常用铸造合金分类及其应用；
2. 掌握常用铸造合金（铸铁、铸钢及铸造有色合金）的化学成分、结晶及组织形成、
性能特点及其控制措施；
3. 掌握常用铸造合金熔炼过程中的物理化学变化规律及提高液态合金质量的途径及措施；
4. 使学生具备初步的选用铸造合金、制定合金的熔炼与熔体处理工艺以及铸件热处理
工艺的能力；
5. 使学生了解国内外有关铸造合金及熔炼的最新发展方向。

表1 课程目标对毕业要求的支撑关系
七、教学重点与难点：
第一章铸铁合金
(1) 重点内容
Fe-C双重相图；铸铁的结晶与组织形成及其影响因素；灰铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁的成分、组织、性能及其应用。

(2) 难点内容
铸铁的一次结晶及其影响因素，灰铸铁的孕育与合金化；球铁的化学成分、球化与孕育处理、球铁的凝固特性及缺陷的形成与控制，球墨铸铁的热处理；蠕墨铸铁的蠕化处理及组织控制。

第二章铸钢
(1) 重点内容
铸钢的结晶过程及铸态组织；铸造碳钢的力学性能；合金元素在铸钢中的作用，锰系及锰硅系铸造低合金钢、铬系及铬镍系铸造低合金钢；高合金钢(高锰钢、不锈钢、耐热钢)的成分、组织与性能及其应用。

(2) 难点内容
铸造碳钢先共析铁素体的形态、形成条件、形成过程及其对铸造碳钢性能的影响；合金元素及气体和夹杂物对铸造碳钢性能的影响；合金元素对铸钢组织和性能的影响；高锰钢的加工硬化；铸造不锈钢的组织控制以及奥氏体不锈钢的晶间腐蚀。

第三章铸造有色合金
(1) 重点内容
四大系列铝合金（Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn）的成分、组织、性能及应用；铝合金的变质处理、热处理；铸造铜合金的种类及应用；镁合金的组织与性能。

(2) 难点内容
Al-Si合金的变质处理，提高铝合金性能的途径；合金元素对锡青铜组织和性能的影响
第四章铸造合金的熔炼
(1) 重点内容
冲天炉熔炼的热交换及冶金反应，强化冲天炉熔炼过程的措施；电弧炉和感应电炉的炼钢工艺，钢水的炉外精练；铝合金液的吸气及除气精炼、铜合金液的氧化与脱氧，铜合金液的吸气及除气精炼。

(2) 难点内容
冲天炉熔炼过程中铁水化学成分的变化及铁水质量的炉前控制；碱性电弧炉的氧化法炼钢，钢水的炉外精练；铝合金液的吸气及除气精炼、铜合金液的氧化与脱氧，铜合金液的吸气及除气精炼。

八、教学方法与手段：
(1) 教学方法
1) 采用现代化教学方法（含PPT演示，设备照片，影像资料等），讲授各类铸造合金的成分、组织、性能及应用，以提高教学效果及效率；
2) 采用课堂教学与学生PPT汇报、交流讨论等方式，进行课堂互动，吸引学生的注意力、激发学生的学习热情，提高学生的学习效果。

(2) 教学手段
1) 根据教学大纲组织教学内容，以教材为主，不断充实铸造合金领域的新理论和新技术，注意各章节间内在联系的讲授和总结；
2) 通过布置作业、组织自学和课堂讨论等多种途径，结合生产实际，培养学生理论联系实际、综合分析问题和解决问题的能力和创新意识与创造能力。

九、教学内容与学时安排
1. 总体安排
教学内容与学时的总体安排，如表2所示。

表2 基本教学内容、学时安排
2. 具体内容
各章节的具体内容如下：
第一章铸铁合金(10学时)
1.1 绪论
1.2 铸铁的结晶及组织控制
1.3灰铸铁
1.4 球墨铸铁
1.5 蠕墨铸铁
1.6 特种铸铁
第二章铸钢(6学时)
2.1 铸造碳钢
2.2 铸造低合金钢
2.3 铸造高合金钢
第三章铸造有色合金(8学时)
3.1 铸造铝合金
3.2 铸造铜合金
3.3 铸造镁合金及锌合金
第四章铸造合金的熔炼(8学时)
4.1 冲天炉熔炼
4.2 电弧炉熔炼
4.3 感应电炉炼钢
4.4 铸铁和铸钢熔液的炉外精炼
4.5 铸造有色合金熔炼
3. 各章节的课后思考题（作业）及讨论要求
第一章铸铁合金
1.1 为什么有Fe-C双重状态图的存在？双重状态图的存在对铸件的生产有何实际意义？
1.2 试分析硅对铸铁按Fe-C（石墨）和Fe-Fe3C系凝固的影响？
1.3 简述D型石墨的形成条件及D型石墨铸铁的性能特点。

1.4 冷却速度是如何对铸铁组织发生影响的?
1.5 分析讨论片状石墨、球状石墨、蠕虫状石墨的形成条件及生长过程。

1.6 讨论铸铁固态相变的主要内容及其对铸铁最后形成组织的影响。

1.7 常用合金元素以及微量合金元素是如何对铸铁组织发生影响的？
1.8 灰铸铁的金相组织及性能的特点是什么?
1.9 提高灰铸铁性能的主要途径有哪些？
1.10 何谓铸铁的孕育处理？其目的是什么。

1.11 简述瞬时孕育概念、瞬时孕育的优点及常用的瞬时孕育方法。

1.12 试描述球墨铸铁凝固冷却曲线的特点，并据此分析球墨铸铁的凝固特性。

1.13 球墨铸铁生产时化学成分的选择原则是什么？它和灰铸铁有何不同？
1.14 球墨铸铁组织中为何较易出现少量渗碳体？如何防止？
1.15 试总结在铸态下得到高韧性球墨铸铁及高强度球墨铸铁的基本途径。

1.16 某企业请A、B两生产商提供同一球铁件。

铸件材质要求为QT500—7。

A生产商采用
铸态球铁生产技术未经热处理即达铸件质量技术要求，B生产商的铸件铸态延伸率未达到7%,需进行热处理。

但其铸态组织球化良好,无自由碳化物。

请为B生产商制定合适的铸件热处理工艺并作适当说明。

A、B两生产商提供的铸件由于生产方法不同在组织上还存在一定的差异，请分析组织差异之所在及原因。

1.17 试分析等温淬火温度和等温时间对奥氏体—贝氏体球墨铸铁组织及性能的影响。

1.18 稀土元素(RE )是各种铸铁中常用的添加剂，试论述稀土元素在铸铁中的作用。

1.19试从共晶凝固方式和石墨长大的机理阐述灰铸铁和球墨铸铁铸件的缩孔与缩松形成倾
向。

1.20 简述蠕墨铸铁的组织和性能特点。

1.21 蠕墨铸铁生产中应注意控制哪些因素？如何设法拓宽有效蠕化剂含量的范围？
1.22 减摩铸铁和抗磨铸铁在使用要求方面有什么不同？试讨论分析之。

1.23 抗磨铸铁中，应用最广、发展最快的要属铬系白口铸铁。

试在比较几种抗磨铸铁的优
缺点基础上，得出你自己的结论。

1.24 分析高铬铸铁中二次碳化物在基体组织中的作用。

1.25 高铬白口铸铁为什么不能利用铸造余热进行淬火。

1.26 试述铸铁的耐蚀性及硅、铬和镍对铸铁耐蚀性的影响。

1.27 试述普通铸铁在高温下的氧化和生长以及防止铸铁氧化和生长的措施。

1.28 常用几种耐热铸铁的组织特征有什么不同？在应用上又有哪些不同？
第二章铸钢
2.1 试述化学成分对铸造碳钢力学性能的影响。

2.2 试述碳钢的铸态组织特征，如何消除对碳钢性能不利的组织。

2.3 试说明细化钢的晶粒能够收到同时提高钢的屈服强度和韧性的道理。

2.4 试论述铸钢件形成热裂的机理，并说明浇注温度过高和钢中含硫量过多对于形成热裂
的影响。

2.5 作为一个低合金系列的主加合金元素需要具备什么条件？试比较锰、铬和镍作为三个
低合金钢系列的主加合金元素的优缺点。

2.6 试分析锰系低合金钢在淬火后的回火过程中产生回火脆性的原因。

为什么锰的碳化物
常在钢的晶较周界处形成？通过哪些途径可以避免回火脆性现象的发生？
2.7 试分析低合金高强度钢在化学成分和热处理方面与一般的低合金钢相比有何特点？2.8 你对高超钢的加工硬化现象的机理有何见解？如何进一步强化这种性能？
2.9 耐磨白口铁、低合金耐磨钢和高锰钢都是常用耐磨材料，请分析以上三类耐磨材料的
组织、性能特点及应用场合。

2.10 铬镍不锈钢作为用途广泛的钢种原因何在？它在性能方面有何优缺点？
2.11 简述奥氏体不锈钢晶间腐蚀产生的原因及防止的方法。

2.12 铬镍不锈钢与烙镍耐热钢在化学成分和性能方面各有何特点？
第3章铸造有色合金
3.1 提高铸造Al-Si合金力学性能有哪些途径？举例说明。

3.2 对Al-Si合金的共晶硅进行变质前后有哪些变化？简述变质机理。

3.3 有哪些Al-Si合金的共晶硅变质剂？
3.4 简述Al-Si合金初晶硅的变质剂种类及其机理。

3.5 铝合金晶粒细化的原理是什么？试举例说明。

3.6 分析ZCuSn10Zn2的结晶过程，描述其铸态组织。

3.7 常用的锡青铜有哪些？含锡量的范围是多少？它们的优缺点如何？
3.8 锡青铜的铸造工艺特点是什么？克服锡青铜阀体渗漏有哪些方法？
3.9 描述ZCuAl9Mn2的结晶过程，分析其铸态组织。

什么叫铝青铜的“缓冷脆性”?分析
产生的原因及克服的措施。

3.10 分析ZCuZn38的结晶过程及其铸态组织，分析含锌量和力学性能之间的关系。

3.11 什么是锌当量系数、锌当量？有何用途？试计算ZCuZn26Al4Fe3Mn3合金的锌当量及
组织中α与β之比。

3.12 ZM1、ZM5合金中各元素的作用是什么？
3.13 根据镁合金的物理化学特性阐述镁合金的熔炼浇注特点。

3.14 有哪几类锌合金获得了工业应用？它们各自的优缺点是什么？
3.15 何谓锌合金的“老化”？产生的原因是什么？有哪些克服的工艺措施？
第4章铸造合金熔炼
4.1 根据冲天炉的底焦燃烧规律，分析风速、炉温与焦炭燃烧反应的关系。

4.2 试根据冲天炉内炉气及炉温分布规律，讨论冲天炉内的热交换特点，并分析如何强化热
交换及提高铁液温度的措施。

4.3 根据冲天炉的网状图，讨论在熔炼过程中风量、焦耗、铁液温度和熔化率之间的关系。

如何准确地选择冲天炉熔炼的主要参数?
4.4 试根据冲天炉的冶金反应规律，讨论铁液中各元素的变化规律。

4.5 什么是富氧送风、预热送风和除湿送风？分析这些措施强化冲天炉熔炼过程及提高炉温
的原理。

4.6 从冶金反应动力学角度分析电弧炉炼钢中，炉渣粘度过大或过小所带来的问题。

4.7 电弧炉炼钢时如果炉料的平均含磷量或含硫量过高，应采取哪些工艺措施？这些措施
的冶金原理是什么？
4.8 试分析炼钢工艺中出钢前采用插铝法终脱脱氧的优缺点及注意事项。

4.9 分析感应电炉的容量与所采用的电频率之间的大体对应关系。

4.10 试分析碱性感应电炉炼钢过程中，一般不进行大量脱硫和脱磷操作的道理。

4.11 分析感应电炉熔炼铸铁时各主要化学成分的变化规律。

4.12 试全面分析比较AOD精炼法与VOD精炼法的优缺点。

4.13 铝液精炼工艺分几类？试举例说明并比较不同工艺的优缺点。

4.14 从除气动力学方面分析如何提高除气效果？
4.15 铝中的氢的来源有哪些方面？铝液吸氢的影响因素有哪些？
4.16 铜液有哪些脱氧方法？各自的优缺点如何？
4.17 分析磷铜脱氧的原理及其脱氧工艺要点。

4.18 锡青铜铸件中形成“锡汗”的主要原因是什么？为什么因水汽引起的气孔比因氢气引
起的气孔更容易在锡青铜铸件中形成？
4.19 锡青铜的熔炼原则是什么？和铝青铜、黄铜有什么区别？
十、教学参考书及文献
1、《铸造合金原理及熔炼》，化学工业出版社，2010年，蔡启舟，吴树森编；
2、《铸造合金及其熔炼》，机械工业出版社，2002年，陆文华等编；
十一、课程成绩评定与记载考核方式
1、课程考核及评价细则
课程考核及评价细则，详见表3。

2、终结性考试形式：
根据考试试题的难度，可以实施开卷或闭卷考试，以卷面成绩的80%计入总成绩。

撰稿：《合金材料及熔炼》课程组(主笔：蔡启舟)
审核：材料科学与工程学院本科教学指导委员会
2015－11－26。