铸造合金及制备工艺习题
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1、基本概念：碳当量、共晶度及表达式，孕育处理，孕育衰退，石墨化作用。
将各个元素对铁碳合金共晶点碳量的实际影响折算成合金碳量的增减，这样折算的碳量称为碳当量。
计算公式如下：C.E.% = [C+0.3(Si+P)+0.4S-0.03Mn]铸铁偏离共晶点的方向和程度还可以用铸铁含碳量与共晶点实际含碳量的比值来表示，这个比值被称为共晶度计算公式如下：Sc＝C/C C′＝C/（4.28－0.3（Si+ P））在一定的条件下，把一定量的物质加入到铁水中去，改变铁水的凝固过程，改善结晶组织，从而达到提高性能的目的，这种处理方法称之为孕育处理。
孕育衰退：随着孕育后时间的延长，孕育效果逐渐消失，这种现象称之为孕育衰退。
石墨化作用：化学元素促进碳转变为石墨的能力称为化学元素的石墨化作用。
2、石墨如何影响灰口铸铁的力学性能及其它性能？a.石墨对灰口铸铁基体的切割作用:灰口铸铁中石墨片的边缘都很尖锐，容易造成灰口铸铁基体的局部应力集中；当灰口铸铁承受较小的载荷时，也可能引起灰口铸铁石墨片边缘处基体的应力集中，甚至超过此处基体的屈服强度，引起变形和裂纹，使灰口铸铁的强度大大下降。
b.石墨对灰口铸铁基体的减缩作用：1.石墨片本身的力学性能很低，它的存在就象灰口铸铁基体中承受载荷的有效面积缩小了一样，造成灰口铸铁力学性能的下降。
2.由于石墨片对灰口铸铁基体的切割和减缩作用，灰口铸铁基体的强度只能发挥30∼50%；石墨引起的应力集中，容易导致裂纹的早期发生，所以灰口铸铁容易发生脆性断裂，它的塑性、韧性很低。
c.石墨数量对力学性能的影响:1.一般来说，石墨的数量越多，石墨的减缩作用就越大，灰口铸铁的强度就越低，因此，灰口铸铁中的含碳量越高，它的强度就越低；2.灰口铸铁中的含碳量越高，它的强度就越低；d.石墨片越细小，意味着灰口铸铁晶粒越细小，灰口铸铁的强度越高，但不是越小越好（不能出现D型石墨）。
此外，石墨对灰口铸铁减震性的影响、石墨对灰口铸铁减摩性的影响、石墨对灰口铸铁缺口敏感性的影响3、石墨有哪些分布类型？A型石墨示意图：均匀分布，没有方向性B型石墨示意图：菊花状，心部石墨集中、细小C型石墨示意图：粗大的块片状，对灰口铸铁基体的破坏作用大D型石墨示意图：过冷石墨或晶间石墨，分布在枝晶间，无方向性。
E型石墨示意图：枝晶间石墨，分布呈一定的方向性，4、灰口铸铁组织是如何形成的？5、C、Si、Mn、P、S如何影响灰口铸铁的性能？灰口铸铁中促进石墨化元素为C、Si、P，其中Si的石墨化作用最为强烈，是灰口铸铁中的最重要元素之一，而阻碍石墨化的元素为Mn、S等。
6、灰口铸铁孕育的作用是什么？主要有哪些孕育方法？孕育处理已经成为现代高强度灰口铸铁的重要工艺措施之一。
1.细化共晶晶粒，提高力学性能，但孕育效果与铁液的原始成分有关，如下图所示。
2.促进石墨化、消除白口：生产高强度灰口铸铁时，其碳当量较低，在共晶转变时铸件的白口倾向大，尤其是薄壁之处易于出现过多的共晶渗碳体，通过孕育则可消除这些共晶渗碳体；3.改善石墨形态：高强度灰口铸铁的碳当量较低，凝固时的过冷度较大，易于出现D型石墨，通过孕育则可消除D型石墨，促进A型石墨的出现。
4.减轻铸件的断面敏感性：通过孕育处理，可以减轻铸件的薄壁与厚壁之间因冷却速度不同而产生的组织和性能上的差别，有效减轻灰口铸铁件的断面敏感性，常用方法有包内冲入法孕育、出铁槽孕育、浇口杯孕育、大块浮硅孕育、孕育丝孕育、型内孕育等7、冷却速度如何影响灰口铸铁的力学性能？除化学成分、孕育处理对灰口铸铁性能有重大影响外，结晶时铸铁的冷却速度也有重要作用。
与冷却速度有关的因素主要有铸件壁厚、铸件浇注温度、造型材料、铁水过热处理等。
1.一般来说，铸件越厚，冷却速度越慢（其它条件恒定时），不易出现白口组织，但石墨粗大，在二次结晶时易产生铁素体，强度性能较低。
铸件越薄，冷却速度越快，可出现较细小的片状石墨，共析转变时大部分奥氏体转变为珠光体，但易产生白口层，因此铸件的强度随壁厚而变化2.提高浇注温度，铁水进入铸型后，在凝固以前能把型腔加热，以至于在铸铁凝固时，铁水和铸型的温差减小，降低了通过铸型的散热能力，延缓了铸铁凝固时的冷却，既促进了共晶阶段的石墨化，也促进了共析阶段的石墨化；还在一定程度上促使了石墨粗化，增加共析转变时向铁素体转化的能力；还降低了共晶团的数目。
3.不同的铸型材料具有不同的导热能力，铸件会出现不同的冷却速度。
4.铁水过热的作用：在一定范围内提高铁水温度，延长高温静置时间，都会细化铸铁的石墨和基体组织，提高铸铁强度8、铁碳二元合金相图为何具有二重性？从热力学角度分析在一定的高温条件下，渗碳体会自动分解为奥氏体和石墨，这说明渗碳体的系统自由能高，而与渗碳体相同成分的奥氏体和石墨的系统自由能低，才最为稳定，也说明渗碳体虽然为“平衡”组成，但不是最稳定的组成。
在缓慢冷却、过冷度不大及一定碳硅含量条件下，体系才可能转变为奥氏体加石墨；而在冷却较快、过冷度较大及相同的碳硅含量条件下，体系则常常转变为奥氏体加渗碳体，这是因为凝固动力学因素作用的结果。
从动力学角度分析Fe-C(石墨)是稳定的，Fe-Fe3C是介稳定的；从动力学上看，在一定的条件下（冷却速度较快或过冷度较大），Fe-Fe3C也可能出现，因此凝固的动力学条件使铁碳相图出现了二重性。
9、铁碳二元合金按稳定系如何平衡转变？亚共晶铁碳系的转变(C<4.26wt%)随着温度的下降，到达液相线温度TL时，从液相中析出γ初，γ初的成分沿JE′线变化；当温度下降至共晶温度TE ’时，γ初的成分达到E′点奥氏体的成分；再继续降温时，将从γ初中不断析出GⅡ，γ初的成分沿E′S′线变化；当温度下降至共析温度TS’(736 ℃)时，γ初的成分达到S′点奥氏体的成分，此时发生共析反应，即γS’= αP’+ G析；再降温时，从αP’中不断析出GⅢ，αP’的成分沿P′Q′变化，直至温度下降到Q′，α的成分不再发生变化。
随着温度的下降，到达液相线温度TL时，从液相中析出γ初，液相L的成分沿BC’线变化；当温度下降至共晶温度TE’(1153 ℃)时，液相L的成分达到C’点的共晶成分，发生共晶反应，即LC’= γE’+ G共；再降温时，从γE’中不断析出GⅡ，γE’的成分沿E’S’线变化；当温度下降至共析温度TS’(736 ℃)时，γE’的成分达到S’点奥氏体的成分，此时发生共析反应，即γS’= αP’+ G析；再降温时，从αP’中不断析出GⅢ，αP’的成分沿P’Q’变化，直至温度下降到Q’，α的成分不再发生变化。
共晶铁碳系的转变(C=4.26wt%)随着温度的下降，到达共晶温度TE’(1153 ℃)时，发生共晶反应，即LC’= γE’+ G共；再降温时，从γE’中不断析出GⅡ，E’的成分沿E’S’线变化；当温度下降至共析温度TS’(736 ℃)时，γE’的成分达到S’点奥氏体的成分，此时发生共析反应，即γS’= αP’+ G 析；再降温时，从αP’中不断析出GⅢ，αP’的成分沿P’Q’变化，直至温度下降到Q’，α的成分不再发生变化。
过共晶铁碳系的转变(C>4.26wt%)随着温度的下降，到达液相线温度TL时，从液相中析出GI，液相L的成分沿D’C’线变化；当温度下降至共晶温度TE’(1153 ℃)时，液相L的成分达到C’点共晶液相的成分，发生共晶反应，即LC’= γE’+ G共；再降温时，从γE’中不断析出GⅡ，E’的成分沿E’S’线变化；当温度下降至共析温度TS’(736 ℃)时，γE’的成分达到S’点奥氏体的成分，此时发生共析反应，即γS’= αP’+ G析；再降温时，从αP’中不断析出GⅢ，αP’的成分沿P’Q’变化，直至温度下降到Q’，α的成分不再发生变化。
10、Si如何影响铁碳二元合金的相图？1.共晶点和共析点的含碳量随着硅量的增加而减少，如Fe-C二元共晶合金碳的质量分数为4.26%、共析合金碳的质量分数为0.69%，但当Fe-C-Si三元系中硅的质量分数为2.08%时，其共晶和共析碳的质量分数分别减少到3.65%和0.65%；E’点的含碳量也随硅量的增加而相应减少，所以，在共晶合金液以及奥氏体中碳的溶解度皆随硅量的增加而较少。
2.硅的加入使相图上出现了共晶转变和共析转变温度区间，不象铁碳二元合金那样在一个恒定的温度下进行转变，共析转变温度范围随硅量的增加而扩大。
3.硅的加入提高了共析转变温度；硅的加入提高了稳定系的共晶转变温度，降低了介稳系的共晶转变温度，即降低了生产灰口铁和球铁的难度4.硅量的增加还缩小了Fe-C二元相图上的奥氏体区，根据实验结果，当硅量超过10wt%以后，奥氏体区将完全消失。
5.左上角的包晶反应温度和各相的成分也改变了，δ相区扩大了，但这一反应对石墨和渗碳体没有影响11、铁碳二元合金相图中铸铁部分的重要点、线、面对应的温度和成分如何？相图中最重要的点对铸铁来说，C、C′、E、E′、S、S′点最重要。
相图中最重要的线ECD .1147℃、PSK .727 ℃；E′C′D′.1153℃、P′S′K′.736 ℃；相图中最重要的相变反应共晶反应：LC= γE+ Cm共(1147 ℃)；LC’= γE’+ G共(1153 ℃)共析反应：γS= αP+ Cm析(727 ℃)；γS’= αP’+ G析(736 ℃)1、说明镁和稀土球化剂的主要作用，各有何特点？Mg是强球化元素。
净化作用：镁的化学性质很活泼，极易与铁水中的S、O发生化学反应，脱硫去氧；球化作用：镁加入到铁水中时，首先脱硫去氧；当铁水中的硫降到0.01∼0.02wt%时，镁才开始起石墨球化作用；真正使石墨球化，镁的残留量要达到0.035∼0.04wt%；反石墨化作用：Mg是强烈的稳定碳化物元素，因此用Mg处理过的铁水具有很大的白口倾向，在铁水凝固时容易使铁水中的碳转变为Fe3C。
优点：镁加入铁水后，很快熔化和汽化，反应很快；球化效果好，石墨细小圆整；缺点：安全性较低，铁水容易飞溅；易受反球化元素(Ti、Bi、Pb、As等)干扰；容易产生皮下气孔，即MgS+H2O=MgO+H2S↑、Mg+2H2O =Mg(OH)2+2H2↑；容易产生夹渣，因为MgO很粘稠，不易去渣。
稀土的作用净化作用：稀土与铁水中的S、O反应，脱硫去氧；球化作用：当稀土的残留量达到0.08∼0.1wt%时，才能保证石墨球化；稀土球化的石墨球不太圆整，不如Mg球化的石墨球圆整；按重量百分比比较，一般认为稀土的球化能力比镁的球化能力差，但应该以原子百分比比较才合适，这时稀土的球化能力比镁强；反石墨化作用：稀土是强烈的稳定碳化物元素，因此用稀土处理过的铁水具有很大的白口倾向，比镁处理铁水的白口倾向还要大，在铁水凝固时容易使铁水中的碳转变为Fe3C。
