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《工程材料与成形工艺》课程单元教学设计任课教师本次课标题铁碳合金相图分析上课时间授课班级第（）次课（2）课时上课地点教学目标能力(技能)目标知识目标分析典型合金的结晶过程1.掌握典型合金的结晶过程；2.了解并掌握铁碳合金的成分、组织和力学性能的关系；3.了解铁碳相图的应用。能力训练任务及案例器材准备给定几种典型成分的铁碳合金，让学生分析它们的结晶过程及冷却至室温的组织转变。参考资料教研室主任签字：单元教学设计步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配2.4.3典型合金的结晶过程分析铁碳合金的分类：工业纯铁、钢和白口铸铁三类；工业纯铁：Wc＜0.0218%；钢：亚共析钢Wc=0.0218%－0.77%；共析钢Wc=0.77%；过共析钢Wc=0.77%－2.11%白口铸铁：亚共晶白口铸铁Wc=2.11%－4.3%；共晶白口铸铁Wc=4.3%；过共晶白口铸铁Wc=4.3%－6.69%1共析钢的结晶过程分析如图示，过wc=0.77%的点作一条垂直于横轴的垂线（合金线）Ⅰ，与相图分别交于1、2、3（S）点温度，以这三点温度为界，分析其冷却过程。1点以上全部为液相(L)，当缓冷至与AC线相交的1点温度时，开始从液相中结晶出奥氏体(A)，奥氏体的量随温度下降而增多，其成分沿AE线变化，剩余液相逐渐减少，其成分沿AC线变化。冷至2点温度时，液相全部结晶为与原合金成分相同的奥氏体。2～3点(即S点)温度范围内为单一奥氏体。冷至3点(727℃)时，发生共析转变，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体，构成交替重叠的层片状两相组织，称为珠光体。其组织转变过程为：L→L+A→A→F+Fe3C（P）2亚共析钢结晶过程分析（以wc=0.45％为例）过wc=0.45％的亚共析钢作合金线，与相图分别交于1、2、3、4点温度。3点以上的冷却过程与共析钢在3点以上相似。当合金冷至与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出铁素体。随温度降低，铁素体量不断增多，其成分沿GP线变化，而奥氏体量逐渐减少，其成分沿着GS线变化，在3～4点之间，组织为奥氏体和铁素体，温度缓冷至4点时，讲授法多媒体教师讲述钢的结晶过程，白口铸铁的结晶过程由学生自述剩余奥氏体的碳的质量分数达到共析成分(wc=0.77％)，发生共析转变形成珠光体。温度继续下降，由铁素体中析出极少量的三次渗碳体（可忽略不计）。故其室温组织为铁素体和珠光体。其组织转变如下：L→L+A→A→A+F→F+P所有亚共析钢的冷却过程均相似，其室温组织都是由铁素体和珠光体组成。所不同的是随碳的质量分数的增加，珠光体量增多，铁素体量减少。3.过共析钢结晶过程分析（wc=1.2％的过共析钢为例）图中合金Ⅲ为wc=1.2％的过共析钢。合金Ⅲ在3点以上的冷却过程与共析钢在3点以上相似。当合金冷至与ES线相交的3点时，奥氏体中碳的质量分数达到饱和，碳以二次渗碳体Fe3CⅡ的形式析出，呈网状沿奥氏体晶界分布。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。当冷却到与PSK线相交的4点时，剩余奥氏体碳的质量分数达到共析成分(wc=0.77％)，故奥氏体发生共析转变，形成珠光体。继续冷却，组织基本不变。其室温组织为珠光体和网状二次渗碳体。其组织转变过程为：L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ所有过共析钢的室温组织都是由珠光体和网状二次渗碳体组成的。不同的是随碳的质量分数的增加，网状二次渗碳体量增多，珠光体量减少。4共晶白口铸铁的结晶过程分析（见图中合金Ⅳ）（结晶过程略）组织转变过程为：L→Ld→Ld+Fe3CⅡ→Ld’（P+Fe3CⅡ+Fe3C）5亚共晶白口铸铁结晶过程分析（见图中合金V）组织转变过程为：L→L+A→A+Ld→A+Fe3CⅡ+Ld→P+Fe3CⅡ+Ld’6过共晶白口铸铁结晶过程分析（见图中合金Ⅵ）组织转变过程为：L→L+Fe3CⅠ→Fe3CⅠ+Ld→Fe3CⅠ+Ld’2.5铁碳合金相图的应用2.5.1含碳量、组织与力学性能的关系室温时，随碳的质量分数的增加，铁碳合金的组织变化如下：F+Fe3CⅢ→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ld/→Ld/→Ld/+Fe3CⅠwc＜0.9%时，随着碳的质量分数增加，钢的强度和硬度直线上升，而塑性和韧性不断下降。当钢的wc＞0.9％以后，二次渗碳体沿晶界形成较完整的网，因此钢的强度开始明显下降，但硬度仍在增高，塑性和韧性继续降低。wc＞2.11％的白口铸铁，由于组织中有大量的渗碳体，硬度高，塑性和韧性极差，既难以切削加工，又不能用锻压方法加工，故机械工程上很少直接应用。2.5.2铁碳合金相图的应用1.在选材方面的应用要求塑性、韧性好的各种型材和建筑用钢，应选用碳的质量分数低的钢；承受冲击载荷，并要求较高强度、塑性和韧性的机械零件，应选用碳的质量分数为0.25％～0.55％的钢；要求硬度高、耐磨性好的各种工具，应选用碳的质量分数大于0.55％的钢；形状复杂、不受冲击、要求耐磨的铸件(如冷轧辊、拉丝模、犁铧等)，应选用白口铸铁。2.在铸造方面的应用共晶成分的合金熔点最低，结晶温度范围最小，故流动性好、分散缩孔少、偏析小，因而铸造性能最好。所以，在铸造生产中，共晶成分附近的铸铁得到了广泛的应用。常用铸钢的碳的质量分数规定在0.15％～0.6％之间，在此范围的钢，其结晶温度范围较小，铸造性能较好。3.在锻造和焊接方面的应用复相组织，塑性较差，变形困难，当将其加热到单相奥氏体状态时，可获得良好的塑性，易于锻造成形。4.在热处理方面的应用（第三章讲解）