熔炼及铸造.doc

1、 稳定态和亚稳定态铁碳相图的异同点
Fe-C相图和Fe-Fe3C相图主要不同在于：
1） 稳定平衡的共晶点C’的成分和温度与C点不同
2） 稳定平衡的共析点S’的成分和温度与S点不同
3） Fe-C相图中的共晶温度和共析温度都比介稳定平衡的高一些，共晶温度高出6℃，共析温度高出9℃
4） 在共晶温度时和石墨平衡的奥氏体中的含碳量（相当于E’点）比和渗碳体平衡的奥氏体中的含碳量（相当于E）亦要低些。
2、 碳当量和共晶度的概念（计算公式）
根据各元素对共晶点实际碳量的影响，将这些元素的量折算成碳量的增减，谓之碳当量，以CE表示，为简化计算，一般只考虑Si、P的影响，因而CE=C+1/3(Si+P),将CE的值和C’点碳量（4.26%）相比，即可判断某一成分的铸铁偏离共晶点的程度，比如CE>4.26%为过共晶，CE=4.26%为共晶成分，CE<4.26%为亚共晶成分。
3、 用铁碳相图分析铸铁和碳钢一二次结晶的异同点
铸铁从液态转变成固态的一次结晶过程，包括初析和共晶凝固两个阶段。具体的内容包括初析石墨或初析奥氏体的形成；共晶凝固，共晶体以及共晶后期组织的形成；碳化物的形成及其特征。
当过共晶成分的铁液冷却时，先遇到液相线，在一定的过冷下便会析出初析石墨的晶核并在铁液中长大，由于结晶温度高，成长时间长，又在铁液中自由生长，因而通常生长为分枝较少的粗大片状。
当液体冷却到液相线温度以下时，奥氏体枝晶便开始析出长大，当进入共晶阶段后，液体中开始形成共晶团。
当铁液温度降低到略低于（亦即有一定的过冷）稳定系共晶平衡温度，初析奥氏体间熔体的含碳量就达到饱和温度。如果此时能形成石墨晶核并长大，则出现了石墨/熔体的界面，由于石墨的含碳高，因而界面上碳低，这就为共晶奥氏体的析出创造了条件，奥氏体的析出反过来又促进了共晶石墨的继续成长，因此出现了从熔体中同时析出奥氏体和石墨的格局。至此，铸铁进入共晶凝固阶段。
现已证明，共晶体不是在初析树枝晶上以延续的方式在结晶前沿形核并长大，而是在初析奥氏体晶体附近的枝晶间、具有共晶成分的液体中单独由石墨形核开始。石墨形核后，0001基面可以作为奥氏体111面的基底而促进奥氏体形核，形成石墨和奥氏体同时交叉生长的模式。
一次结晶：
铁液降至液相线时，有初析石墨和初析奥氏体析出。温度继续下降，熔体中同时析出奥氏体和石墨，铸铁进入共晶凝固阶段。
当钢液温度降低至液相线时，有高温铁素体析出。温度下降至包晶温度时，发生包晶转变，生成奥氏体。温度继续下降，穿过L+γ区时，又有奥氏体自钢液中析出，此析出过程进行到固相线温度为止。
二次结晶：
铸铁的固态相变即二次结晶。继续冷却，奥氏体中的含碳量沿E’S’线减小，以二次石墨的形式析出。当奥氏体冷却至共析温度以下，并达到一定的过冷度，就开始共析转变。两个固体相α与Fe3C相互协同地从第三个固体相长大（成对长大），形成珠光体。
当温度下降至GS和PS线之间的区域是，有先共析铁素体α相析出。随着α相的析出，剩余奥氏体的含碳量上升。当温度达到共析转变温度时，发生共析转变，形成珠光体。结晶过程完了后，钢的组织基本上不在变化。
4、 球状铸铁的共晶转变
球状石墨铸铁（简称球墨铸铁）的共晶过程称为离异共晶，在整个共晶转变的相当长一段时间里，球状石墨和奥氏体两个相析出的格局是：石墨在先，奥氏体在后，两个相没有平滑的共同结晶前沿，而且在时间和场合上都是分离的。凝固初期，石墨先从液相中析出核心并长大；凝固中期，石墨形成奥氏体外壳，在奥氏体外壳的包围下成长，直到凝固完毕，共晶转变结束。
5、 蠕虫状石墨的形成过程
蠕虫状石墨主要在共晶凝固过程中从铁液中直接析出的，最初形态呈小球状或聚集状，经过畸变，并经没有被奥氏体全包围的长出口，在与铁液直接接触的条件下长大而成的。总结出这样一个生长模式：小球墨—畸变球墨—蠕虫状石墨。
6、 灰铸铁的金相组织及其性能特点
灰铸铁的金相组织是由金属基体和片状石墨所组成。主要的金属基体基本形式有珠光体、铁素体及珠光体加铁素体三种。石墨片可以不同的数量、大小、形状分布于基体中。此外，还有少量非金属夹杂物，如硫化物、磷化物等。
灰铸铁的性能特点：
1） 强度性能较差
2） 硬度的特点：同一硬度时，抗拉强度有一个范围；同一强度时，硬度也有个范围
3） 较低的缺口敏感性
4） 良好的减震性
5） 良好的减摩性
7、 比较分析铸铁，铸钢，铸铝和铸铜合金的组织是如何影响性能并最终决定其用途的
铸铁的组织由金属基体和石墨组成。按石墨的形状，铸铁可分为灰铸铁（片状石墨）、球墨铸铁（球状石墨）、蠕墨铸铁（蠕虫状石墨）、可锻铸铁（团絮状石墨）。片状石墨在铸铁中占有一定的体积，是金属基体承受载荷的有效面积减小；另一方面，在承受负荷时造成应力集中现象。所以灰铸铁强度性能较差，而具有良好的减震性、减摩性较低的缺口敏感性。强韧石墨中的石墨避免了灰铸铁中尖锐石墨边缘的存在，因此使石墨对金属基体的破坏作用得到了缓和，从而得到比灰铸铁优良的力学性能。对于蠕墨铸铁，石墨的蠕化率和形状系数对其的力学性能和物理性能影响最大。蠕化率低或基体中铁素体含量高，则韧性和伸长率高；此时，蠕墨铸铁与球墨铸铁相似。
基体对铸铁的性能也有很大影响，灰铸铁的硬度决定于基体，随着基体内珠光体数量的增加，分散度变大，硬度就相应地得到提高。高强度灰铸铁则主要是珠光体基体或索氏体基体。此时，渗碳体与铁素体的片间距很小，其抗拉强度和硬度值也比较高。珠光体球墨铸铁的性能特点为强度和硬度较好，具有一定的韧性，而且具有比45号锻钢较优良的屈强比、低的缺口敏感性和好的耐磨性，所以特别适合于制作承受重载荷及摩擦磨损的零件。铁素体球墨铸铁的性能特点为塑性和韧性较高，强度较低，这种铸铁用于制造受力较大而又承受震动的冲击的零件。混合型球铁有较好的强度和韧性配合，可通过P和F的相对数量及形态分布来调整和改善组织进而改善性能。奥-贝氏球铁的塑性和韧性都很高，还具有比普通球墨铸铁高的冲击韧性及抗点蚀疲劳能力，尤其具有高的弯曲疲劳性能和良好的耐磨性。
碳钢铸件的铸态组织的特征是晶粒粗大，有些情况下存在魏氏（或网状）组织。对于钢的力学性能最有利的是粒状组织，具有粒状F和P相互交错分布的组织使钢具有良好的强度和韧性，而魏氏体和网状组织则使钢具有较低的力学性能，特别是韧性。
铝硅合金室温下只有α（Al）和β（Si）两种相，亚共晶合金的组织由α（Al）和共晶体（α+β）组成，过共晶有共晶体和β组成。由于磷生成AIP使Si9%的亚共晶合金中出现初晶硅，并使共晶硅形成粗大的板片状。这种组织的铸铜力学性能低，切削加工性能差，必须进行变质处理。变质处理后，铸铜的共晶硅形貌发生剧变，由板片状变为纤维状，力学性能大大提升，切削加工性提高。
锡青铜典型的铸铁组织有树枝晶α和共析体α+δ所组成，α内部存在明显的晶内偏析，枝晶轴富铜，枝晶边缘富锡。由于不平衡结晶，含锡5~7%的合金就肯呢过出现α+δ共析体，这种非平衡组织，对塑性不利，可采用均匀化退火，提高塑性，但对于要求耐磨性能的零件却是理想的组织。

8、 流动性的概念及其影响因素
流动性指金属本身的流动能力，在充填铸型的过程中，钢液的流动从浇注入铸型开始，到凝固过程初期，析出一部分固相为止。
影响因素：
1） 钢液浇注温度的影响（过热度温度增加，钢液的流动性提高）
2） 钢液含碳量的影响（不同含碳量的钢，其结晶温度间隔大小以及树枝晶的发达程度不同，因而对穿过其晶枝间的钢液产生不同的阻力）
3） 钢液中气体和夹杂物的影响（气体和夹杂物使钢液变得粘稠，降低其流动性）
9、 球铁生产中孕育处理的目的
1） 消除结晶过冷倾向（球墨铸铁铁液比较彻底脱硫和脱氧，加上有球化元素，石墨的形核较困难，孕育处理引入外来异质晶核，并造成硅的起伏）
2） 促进石墨球化（增加石墨核心，细化球状石墨，提高圆整度）
3） 减小晶间偏析（使共晶团细化，从而减小共晶团的偏析程度，提高铸铁的塑性和韧性）
10、 球墨铸铁的凝固特点
1） 球墨铸铁有较宽的共晶凝固温度范围（因为离异共晶）
2） 球墨铸铁的糊状凝固特性
3） 球墨铸铁具有较大的共晶膨胀
11、 球化衰退及其防治措施
球化衰退的特征：处理过的同一包铁液，先浇注的铸件球化良好，而后浇注的球化不良；或是炉前检验球化良好，但在铸件上出现球化不良。这说明球化处理后的铁液在停留一定时间后，球化效果会下降甚至消失。
防治球化衰退的措施有：
1） 铁液中应保持有足够的球化元素含量。
2） 降低原铁液中的含硫量，并防止铁液氧化。
3） 缩短铁液经球化处理后的停留时间
4） 铁液经球化处理并扒渣后，为防止镁及稀土元素逃逸，可以用覆盖剂将铁液表面覆盖严，隔绝空气以减少元素的逃逸。
12、 解释奥-贝球铁等温淬火的原因
采用等温淬火的必要性在于奥氏体—贝氏体相变温度很低，在这样的温度条件下原子的活动能力很低，相变需要较长的时间，而铸件在铸型内冷却或连续冷却的热处理过程中通过这一温度区间的时间短暂，奥氏体—贝氏体相变来不及完成，故需要在固定的相变温度下进行淬火处理。
13、 比较灰铁，球铁和蠕铁的力学性能特点
14、 比较球化处理和蠕化处理的异同点
相同点：均需控制球化剂和反球化剂的含量，均需孕育处理，均有球化（蠕化）衰退
不同点：蠕化处理加入球化剂与反球化剂的量与球化处理不同（球化处理应控制反球化剂），得到不完全球化的石墨，即为蠕虫状石墨。
15、 铸钢的壁厚效应
壁厚对力学性能的影响产生于晶粒度、枝晶臂间距、致密度，铸件壁厚对钢的性能有显著的影响，这称为铸钢件的壁厚效应。
16、 碳对铸钢淬透性，焊接性能，铸造缺陷的影响
碳提高钢的淬透性，促使热影响区部位的钢发生马氏体转变，因而产生大的淬火应力，易导致开裂，有恶化钢焊接性能的倾向。因此含碳量越高，其焊接性能越差。对于含碳量高的碳钢铸件，在焊接前对焊接热影响区进行适当的预热，有助于避免铸件的开裂。
17、 铸钢和低合金钢的牌号
铸造碳钢按照其力学性能（强度—塑性）的不同要求给出牌号，ZG200-400（屈服强度200MPa，抗拉强度400MPa。）
低合金钢 ZG30Mn （C含量0.25~0.3）
18、 提高低合金钢淬透性5种合金元素的排序
图7-1，锰 Mn、钼Mo、铬Cr、硅Si、镍Ni
19、 镍对低合金钢组织和性能的影响
1） 固溶强化
使F的塑性和韧性上升
2） 提高钢的淬透性
3） 细化珠光体
降低共析转变温度，使珠光体在较低温度下形成，缩小其片间距，提高强度。
4） 降低钢的韧性-脆性转变温度
由于对F的韧话作用，是其降低
5） 提高钢在高温下的抗氧化性
20、 获得高强度，高韧性低合金钢的途径
1） 低含碳量
2） 多种合金元素复合强化
3） 多阶段热处理
4） 钢液净化
21、 解释高锰钢的加工硬化现象和水韧处理目的
在铸造的冷却条件下，相变达不到平衡状态，因而高锰钢的铸铁组织主要由奥氏体、碳化物及少量的相变产物珠光体所组成。沿奥氏体晶界析出的碳化物降低钢的韧性，为消除碳化物，将钢加热至奥氏体区温度，并保温一段时间，使铸态组织中的碳化物基本上都固溶到奥氏体中去，然后在水中进行淬火（通常称水韧处理），从而得到单一的奥氏体组织。这种奥氏体钢在经受冲击或挤压时，将在表面层发生变形，因而产生强化。
22、 阐述不锈钢的抗腐蚀机理
使不锈钢具有耐蚀性的合金元素主要是铬。铬溶于铁的晶格中形成固溶体。当钢中铬量达到一定的浓度以上时，就会在钢的晶粒表面形成一层致密的、含氧化铬的薄膜。这种氧化膜在氧化性酸类中具有高的化学稳定性，称为钝化膜。这层钝化膜保护晶粒内部，使之免受腐蚀。
23、 不锈钢固溶处理的目的P218
消除碳化物，使钢具有了较高的强度和良好的韧性。
24、 提高不锈钢耐腐性的途径P220
降低含碳量，碳不利于钢的耐蚀性，导致碳化铬的析出。
钢液净化，不锈钢组织中的夹杂物，破坏了钢表面氧化铬膜的连续性，促进了钢的局部腐蚀。炉外脱碳精炼方法，可以降低含碳量，将钢中的夹杂物清楚至极少的程度，有效提高不锈钢的耐腐性。
25、 解释不锈钢晶界处析出碳化物导致的晶间贫铬
固溶处理后的钢组织仍有少量的碳化物在晶界处析出。不锈钢中的碳化物中含有很高的铬，其含铬量比钢的平均含铬量高出很多，因此在晶界上析出碳化物，会造成钢的晶粒内部界面层的贫铬现象。
26、 ZL102的金相组织及其性能特点
Al-Si二元合金的代表是ZL102合金，成分为Si10%~13%,余为铝，金相组织为α（Al）+共晶体（α+β）及少量初晶硅。ZL102合金具有下列特点：
1） 热处理强化效果小，力学性能不高
2） 铸造性能优良
3） 耐磨性，抗蚀性，耐热性好
4） 必须进行变质处理，提高力学性能
27、 铝硅合金变质处理对性能的影响
加入微量变质元素钠或锶后，随着共晶硅形貌发生剧变，从片状转变为纤维状，力学性能尤其是伸长率大幅度提高，共晶平台下降5~10℃，合金电导率提高20%左右，共晶点右移1~3℃，切削加工性提高。
28、 铝硅合金初晶硅加磷细化机理
磷以AIP的形式存在于合金中，由于AIP的晶型和硅相同，成为硅的非自发结晶核心。用钠盐变质时产生下列反应
3Na+AIP→Na3P+AL，钠被消耗，变质失效，因此AIP是有害的杂质；在过共晶合金中，AIP的数量不足，成为少数初晶硅的非自发核心，发展成为大块初晶硅，恶化力学性能，需要加磷在铝液中形成大量的AIP，细化初晶硅并均匀的分布在基体上，成为理想的耐磨组织。
29、 铝铸件热处理的目的
1） 提高铝铸件的综合力学性能
2） 消除偏析和针状组织
3） 改善组织的性能
4） 稳定铸铝件的组织和尺寸
5） 消除铸造应力
30、 铜合金的性能特点
铜合金具有较高的力学性能和耐磨性能，很高的导热性和导电性。铜合金电极电位高，在大气、海水、盐酸、磷酸中具有良好的抗蚀性。
31、 Cu-Sn二元合金的性能及工艺特点P345
32、 解释磷加入导致锡青铜反偏析加剧现象及其防治措施
出现反偏析的原因是锡青铜的结晶温度范围宽，枝晶发达，低熔点的富锡δ相被包围在α枝晶间隙中，此时的氢的溶解度因温度下降而急剧降低，呈气泡形式析出，产生背压，把富锡熔体推向枝晶间隙中心。而在凝固后期，铸件从内到外仍存在着大量的显微通道，在氢气泡形成的背压和固态收缩力内外交攻下，迫使富锡熔体沿α枝晶间通道向铸件表面渗出。
二元锡青铜加入磷，将发生铸型反应：
2P+5H2O=P2O5+5H2 产生大量的氢气，反偏向特别严重。
防止反偏析的工艺措施有：
1） 放置冷铁，提高冷却速度，出现层状凝固
2） 调整化学成分，如加入锌，缩小结晶温度范围
3） 采取有效的精炼除气措施，减少合金中的含气量
33、 黄铜的脱锌腐蚀及其弱化措施
在海水或带有电解质的腐蚀介质中工作时，电极电位较低的富锌相β和富铜的α相之间产生相间电流，β相成为微电池的阳极而被腐蚀脱锌。
加入合金元素，如锰，溶于α和β相中， 起固溶强化作用，防止脱锌腐蚀
34、 黄铜不接受热处理强化的原因
从900℃起向下降温过程中，自β相中沉淀析出的二次α相识一种软的晶体，没有强化作用，自456℃继续冷却时，由于温度过低，二次β相难以从α中析出，因此固溶处理后，力学性能不能提高。
35、 黄铜理论上可获得致密优质铸件的原因
Cu-Zn二元合金的结晶温度范围小，只有30℃左右，液相线随含锌量增加而很快下降，流动性好，熔化温度比锡青铜低，但Zn40%的黄铜沸点只有1050℃，往往低于熔炼温度，能带走铜液中的气体和夹杂；锌本身是脱氧剂，因此不用脱氧，熔铸工艺比较简单，适宜用金属型铸造和压铸，能获得致密的铸件。
36、 提高黄铜性能的途径
1） 合金化
2） 细化晶粒
3） 提高合金纯度