鑄鐵件的最終性能，主要決定于其在凝固過(guò)程中形成的組織，例如：灰鑄鐵的熱性能就受其組織中石墨的形態(tài)、尺寸和數量的影響，力學(xué)性能則取決于初生奧氏體枝晶的數量、石墨的形態(tài)和共晶團的尺寸；球墨鑄鐵的力學(xué)性能則取決于石墨球的數量、形態(tài)，以及基體組織的特點(diǎn)。
灰鑄鐵、球墨鑄鐵的凝固過(guò)程包括：初生相（奧氏體、石墨）的析出，共晶轉變和剩余殘液的凝固。
共晶轉變的末期，共晶晶粒與共晶晶粒之間、共晶晶粒與初生奧氏體枝晶之間互相銜接，剩余的低熔點(diǎn)殘液處于晶粒之間的晶界部位，最后凝固。這種殘液在鑄鐵中所占的體積分數雖然很小，但是，其中富集了多種偏析元素和夾雜物，它的凝固狀態(tài)可以使鑄鐵件中產(chǎn)生多種晶界缺陷，如磷共晶、晶界碳化物、晶界非金屬夾雜物、畸形石墨、晶間縮松等，對鑄件質(zhì)量的影響很大。生產(chǎn)過(guò)程中影響剩余殘液性質(zhì)的因素也很多，諸如：鑄鐵化學(xué)成分的選定，熔煉用各種原材料的質(zhì)量，熔煉過(guò)程的控制，鐵液的后處理工藝等等。因此，要討論剩余殘液的凝固，決不是一兩個(gè)段落所能說(shuō)得清楚的，這里只能暫且按下不說(shuō)了。
到目前為止，我們對鑄鐵凝固過(guò)程的認識仍然是不夠充分的，很有必要進(jìn)一步的探索和研究。
一、鑄鐵凝固過(guò)程中的生核
鑄鐵是一種碳含量比較高的Fe-C合金，除碳以外，還含有多種其他合金元素。一般低合金鑄鐵中的碳，可以以石墨或Fe3C的形態(tài)析出。
高溫的鐵液中，石墨的自由能比Fe3C低得多，較易于直接自鐵液中析出。當然，鑄鐵中的碳也可自固態(tài)的奧氏體中脫溶析出。從熱力學(xué)方面的分析看來(lái)，‘Fe-石墨’系二元相圖是穩定的平衡狀態(tài)，所以稱(chēng)之為Fe-C合金的穩定系。相對而言，Fe-Fe3C二元相圖就是Fe-C合金的介穩定系。
要了解鑄鐵的凝固過(guò)程，當然要參照Fe-C合金相圖。通常我們看到的書(shū)籍中，Fe-C二元合金相圖，一般都用虛線(xiàn)表示穩定系（Fe-石墨），實(shí)線(xiàn)表示介穩定系（Fe-Fe3C）。近年來(lái)，有人提出：Fe-C合金相圖中，用實(shí)線(xiàn)表示穩定系（Fe-石墨）、用虛線(xiàn)表示介穩定系（Fe-Fe3C），可能更為貼切。
這篇短文，只涉及常用的灰鑄鐵和球墨鑄鐵的凝固，最關(guān)心的是石墨的析出，希望鑄鐵在凝固過(guò)程中不析出Fe3C，所以圖1中以實(shí)線(xiàn)表示穩定系。
圖1 簡(jiǎn)略的Fe-C合金相圖（凝固部分）
均勻的液相中結晶析出固相（均質(zhì)生核），晶核的形成需要很大的表面能。對純金屬而言，在金屬液中均質(zhì)生核，一般都需要將其過(guò)冷到其熔點(diǎn)100℃以下。以這種生核方式結晶、凝固，在實(shí)驗室中也許能夠做到，在生產(chǎn)條件下，不可能實(shí)現這種結晶、凝固的機制。
實(shí)際上，各種鑄造合金的結晶、凝固過(guò)程，都起始于異質(zhì)晶核。一般說(shuō)來(lái)，如果晶核的晶格與凝固體晶格的適配性好，合金液在很小的過(guò)冷度下就可以開(kāi)始結晶、凝固。
1、灰鑄鐵、球墨鑄鐵中硅的作用
單純的Fe-C合金，圖1中涉及的一些臨界點(diǎn)的溫度、碳含量見(jiàn)表1。
在平衡條件下，穩定系的共晶溫度TEG（1153℃），只比介穩定系的共晶溫度TEC（1147℃）高6℃。鑄鐵的凝固過(guò)程中，冷卻速率略高一點(diǎn)、過(guò)冷度略大一點(diǎn)，就會(huì )按介穩定系轉變。實(shí)際生產(chǎn)條件下，鑄鐵凝固時(shí)冷卻速率都比較高、過(guò)冷度較大，如果是單純的Fe-C合金，很容易出現白口。對于生產(chǎn)灰鑄鐵和球墨鑄鐵鑄件而言，凝固過(guò)程中碳不能以Fe3C的形態(tài)析出，必須使其按穩定系轉變，因而，加入合金元素，擴大TEG和TEC之間的溫度差，是至關(guān)重要的。
Fe-C合金中加入硅，可以提高穩定系的共晶溫度，不過(guò)這種作用不太明顯，但是，硅卻可以使介穩定系的共晶溫度顯著(zhù)降低，從而擴大TEG和TEC之間的溫度差。硅的這種作用參見(jiàn)
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