资源简介

材料科学与工程学院教案用纸
课程章节名称 项目三 铁碳合金相图
教学目的、要求 ●掌握合金相图的相关概念。 ●掌握铁碳合金的组织。 ●掌握绘制Fe-Fe3C相图的方法。 ●熟悉钢的结晶过程。 ●熟悉铁的结晶过程。 ●熟悉Fe-Fe3C相图的应用
重点 难点 1.合金相图的建立方法 2.合金相图的基本组织 3.分析Fe-Fe3C相图 4.钢的结晶过程 5.铁的结晶过程
教学环节时间分配 3课时
教学手段、教学方法和实施步骤 多媒体
授课内容: 铁碳合金的基本组织： 1)、铁素体： 铁素体是碳溶于α-Fe形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。铁素体是体心立方晶格，排列不如γ-Fe紧密，晶格空隙分散，几乎不能溶解碳原子。 2)、奥氏体： 碳溶解于γ-Fe形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体的强度和硬度不高，但具有良好的塑性，是大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织，故在轧钢和锻造时，常把钢加热到高温呈奥氏体状态，奥氏体没有磁性。 3)、渗碳体： 渗碳体是碳的质量分数为6.69%的铁和碳的金属化合物，其分子式为Fe3C，常用符号Cm表示。渗碳体具有复杂的晶格结构。它与铁和碳的晶格结构完全不同。渗碳体熔点为1227℃，不发生同素异构转变。渗碳体的硬度很高，约为1000HV，塑性很差，延伸率接近于零，是一个硬而脆的组织。 4)、珠光体： 珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，用P表示。珠光体多为层片状组织，白色片状为铁素体，黑色片状为渗碳体。珠光体的强度较高，硬度适中，具有一定的塑性和韧性，是一种性能较好的组织，也是共析钢中常见组织。 5)、莱氏体： 莱氏体是铁碳合金中的共晶混合物。渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈短棒状（或颗粒状）分布在渗碳体的基体上。莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性、韧性很差。 Fe-Fe3C相图： Fe-Fe3C相图是表示液态铁碳合金在缓慢冷却（或缓慢加热）的条件下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。图中纵坐标为温度，横坐标为碳的质量分数。 三、钢的结晶： 1)、共析钢： 共析钢为wc=0.77%。在1点以上时，合金为液相状态。温度降低到1点时，液态合金中结晶出奥氏体。随着温度的下降奥氏体数量不断增加。到2点时，结晶结束，合金为单相奥氏体组织。当到达2～3点时合金组织不发生变化。当温度降至3点时合金发生共析转变，形成片层状铁素体与渗碳体组成的机械混合物，即珠光体。在3点以下，组织不发生变化，全部为珠光体。共析钢的显微组织，白色为片层状铁素体，黑色线条为渗碳体。 2)、亚共析钢： 亚共析钢是指碳的质量分数在0.0218%～0.77%之间的铁碳合金。金属在1点以上是液态，当金属液冷却到1点时从液相中开始结晶出奥氏体，到2点结晶完毕，2点到3点间为单相奥氏体组织，当冷却到与GS线相交的3点时从奥氏体中开始析出铁素体。由于α-Fe只能溶解很少的碳，所以合金中大部分碳留在奥氏体中而使其碳的质量分数增加。随着温度的降低，析出的铁素体量增多，剩余的奥氏体量减少，而奥氏体中碳的质量分数沿GS线增加。当温度降至与PS线相交于4点时，奥氏体含碳量达到0.77%，此时剩余的奥氏体发生共析转变，转变成珠光体。4点以下至室温，合金组织不再发生变化。 3)、过共析钢： 过共析钢是指碳的质量分数在0.77%～2.11%之间的铁碳合金。图中的合金Ⅲ为过共析钢。过共析钢从1点冷却到3点的过程与共析钢和亚共析钢相似，为奥氏体的结晶形成与冷却。当合金冷却与ES线相交的3点时，奥氏体中的溶碳量达到饱和，当温度下降时，碳以二次渗碳体的形式析出，沿着奥氏体晶界呈网状分布，继续冷却，二次渗碳体量不断增多，奥氏体量不断减少，剩余奥氏体的成分沿ES线变化，冷却至与共析线PS相交的4点时，剩余的奥氏体的碳的质量分数正好达到共析钢成分，发生共析转变，形成珠光体组织。之后随着温度降低，铁碳合金的组织基本不变。因此过共析钢的室温平衡组织为珠光体和二次渗碳体。 五、铁的结晶过程： 1)、共晶白口铸铁 共晶转变后继续冷却过程中，碳在奥氏体中溶解度下降，Fe3CⅡ析出将从奥氏体中析出，奥氏体成分沿ES线变化。由于共晶奥氏体颗粒较细小且被Fe3C包围，因此Fe3CⅡ往往依附于共晶Fe3C上，直到727 ℃，奥氏体含碳量降到0.77%。奥氏体在727 ℃转变为P，即变成Ld′，形成了共晶Fe3C、Fe3CⅡ和P的混合物，但Fe3CⅡ与共晶Fe3C显微镜下难以分辨，且保留了高温共晶产物的特征，组织为Ld′。 2)、亚共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁是指碳的质量分数在2.11%～4.3%之间的铁碳合金。亚共晶白口铸铁的结晶过程比较复杂，1点以上为液相，温度降到1点时，液相中开始析出初晶（先共晶）奥氏体，随着温度的降低，奥氏体数量逐渐增多，奥氏体的成分沿 BE线变化，而液相成分沿着BC线变化。当温度降至2点时液相成分达到共晶点 C点，发生共晶转变，形成莱氏体。当温度降到2～3点之间时，从奥氏体中析出二次渗碳体。随着二次渗碳体的不断析出，奥氏体的成分线沿着ES线不断降低，当温度到达3点（727 ℃）时，奥氏体的成分也达到了S点，在恒温下发生了共析转变，剩下的奥氏体全部转变成珠光体。 3)、过共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁是指碳的质量分数为4.3%～6.69%之间的铁碳合金。合金Ⅶ为过共晶白口铸铁。过共晶白口铸铁的结晶过程和亚共晶白口铸铁结晶过程相似，在结晶过程中，在1～2点温度区间从液体中结晶出粗大的先共晶渗碳体，称为一次渗碳体，用Fe3CⅠ表示。随着一次渗碳体数量的增多，液相成分沿着DC线变化。当温度降至2点时，液相成分达到 wc=4.3%，在恒温下发生共晶转变，形成莱氏体。随着温度继续下降，共晶奥氏体先析出二次渗碳体。当温度降低到3点（727 ℃）时，恒温发生共析转变，形成珠光体。因此，过共晶白口铸铁的组织为一次渗碳体和低温莱氏体。 Fe-Fe3C相图的应用 1)、碳含量对平衡组织的影响： 由Fe-Fe3C相图可知，铁碳合金在室温的组织都是由珠光体和渗碳体两相组成，随碳的质量分数的增加，铁素体的量逐渐减少，而渗碳体的量有所增加，这是由于成分的变化，引起不同性质的结晶过程，从而使相发生变化而造成的。 2)、碳含量对力学性能的影响： 硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数。由于硬度对组织形态不敏感，所以随着钢中碳的质量分数增加，高硬度的渗碳体增加，低硬度的铁素体减少，故钢的硬度呈直线增加，而塑性、韧性不断下降。 由于强度对组织形态很敏感。在亚共析钢中，随碳的质量分数增加，强度高的珠光体增加。强度低的铁素体减少，因此强度随碳的质量分数的增加而升高。 Fe3C是极脆的相，没有塑性。因此，钢的塑性和韧性完全由铁素体来提供，随着碳质量分数的增加，使铁素体量不断减少，塑性和韧性显著下降，当基体为Fe3C后，塑性就降低到接近于零。
课堂讨论 铁碳合金相图
课外思考、练 习及作业题 课后习题

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