第四章-铁碳合金

金属学与热处理第二版（崔忠圻）答案第四章铁碳合金4-1分析Wc=0.2%，Wc=0.6%，Wc=1.2%，的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的转变过程，用冷却曲线和组织示意图说明各阶段的组织，并分别计算室温下的相组成物及组织组成物的含量。答：Wc=0.2%的转变过程及相组成物和组织组成物含量计算转变过程：1）液态合金冷却至液相线处，从液态合金中按匀晶转变析出δ铁素体，L⇌δ，组织为液相+δ铁素体2）液态合金冷却至包晶温点（1495℃），液相合金和δ铁素体发生包晶转变，形成奥氏体γ，L+δ⇌γ，由于Wc=0.2%高于包晶点0.17%，因此组织为奥氏体加部分液相。3）继续冷却，部分液相发生匀晶转变析出奥氏体γ，直至消耗完所有液相，全部转变为奥氏体组织。4）当合金冷却至与铁素体先共析线相交时，从奥氏体中析出先共析铁素体α，组织为奥氏体+先共析铁素体5）当合金冷却至共析温度时，奥氏体碳含量沿铁素体先共析线变化至共析点碳含量，发生共析转变γ⇌α+Fe3C，此时组织为先共析铁素体+珠光体6）继续冷却，先共析铁素体和珠光体中的铁素体都将析出三次渗碳体，但数量很少，可忽略不计。所以室温下的组织为：先共析铁素体+珠光体。组织含量计算：组织含量计算：Wα（先）=（0.77-0.2）/（0.77-0.0218）×100%≈76.2%，Wp=1-Wα（先）≈23.8%相含量计算：Wα=（6.69-0.2）/（6.69-0.0218）×100%≈97.3%，WFe3C=1-Wα≈2.7%Wc=0.6%的转变过程及相组成物和组织组成物含量计算：转变过程：1）液态合金冷却至液相线处，从液态合金处按匀晶转变析出奥氏体，L⇌γ，组织为液相+奥氏体。2）继续冷却，直至消耗完所有液相，全部转变为奥氏体组织。3）当合金冷却至与铁素体先共析线相交时，从奥氏体中析出先共析铁素体α，组织为奥氏体+先共析铁素体4）当合金冷却至共析温度（727℃）时，奥氏体碳含量沿铁素体先共析线变化至共析点，发生共析转变γ⇌α+Fe3C，此时组织为先共析铁素体+珠光体5）珠光体中的铁素体都将析出三次渗碳体，但数量很少，可忽略不计。所以室温下的组织为：先共析二次渗碳体+珠光体组织含量计算：组织含量计算：Wα（先））=（0.77-0.6）/（0.77-0.0218）×100%≈22.7%，Wp=1-Wα（先）≈77.3%相含量计算：Wα=（6.69-0.6）/（6.69-0.0218）×100%≈91.3%，WFe3C=1-Wα≈8.7%Wc=1.2%的转变过程及相组成物和组织组成物含量计算：转变过程：1）液态合金冷却至液相线处，从液态合金处按匀晶转变析出奥氏体，L⇌γ，组织为液相+奥氏体。2）继续冷却，直至消耗完所有液相，全部转变为奥氏体组织。3）当合金冷却至与渗碳体先共析线（碳在奥氏体中的溶解度曲线）相交时，从奥氏体中析出先共析二次渗碳体，组织为奥氏体+先共析二次渗碳体4）当温度冷却至共析温度（727℃）时，奥氏体碳含量沿溶解度曲线变化至共析点碳含量，发生共析转变γ⇌α+Fe3C，组织为珠光体+先共析二次渗碳体5）珠光体中的铁素体都将析出三次渗碳体，但数量很少，可忽略不计。所以室温下的组织为：先共析二次渗碳体+珠光体组织含量计算：组织含量计算：WFe3C（先）=（1.2-0.77）/（6.69-0.77）×100%≈7.3%，Wp=1-WFe3C（先）≈92.7%相含量计算：Wα=（6.69-1.2）/（6.69-0.0218）×100%≈82.3%，WFe3C=1-Wα≈16.7%4-2分析Wc=3.5%，Wc=4.7%的铁碳合金从液态到室温的平衡结晶过程，画出冷却曲线和组织变化示意图，并计算室温下的组织组成物和相组成物。答：1、Wc=3.5%的转变过程及相组成物和组织组成物含量计算转变过程：1）液态合金冷却至液相线处，从液态合金中按匀晶转变析出奥氏体，L⇌γ，组织为液相合金+奥氏体。2）当合金温度冷却至共晶温度（1127℃）时，液相合金中的含碳量变化至共晶点，液相合金发生共晶转变L⇌γ+Fe3C，组织为共晶莱氏体Ld+奥氏体。3）温度继续降低，匀晶奥氏体和莱氏体中的奥氏体将析出二次渗碳体。所以组织为：奥氏体+莱氏体+二次渗碳体。4）当温度降低至共析温度（727℃），奥氏体中的碳含量变化值共析点，发生共析转变形成珠光体，γ⇌α+Fe3C，组织为珠光体（低温莱氏体L’d）+二次渗碳体。5）继续冷却，珠光体中的铁素体将会析出按此渗碳，但数量很少，可以忽略不计。所以室温下的组织为：珠光体（低温莱氏体L’d）+渗碳体（二次渗碳体+共晶渗碳体）。组织含量计算：组织含量计算：相含量计算：2、Wc=4.7%的转变过程及相组成物和组织组成物含量计算转变过程：1）液态合金冷却至液相线处，从液态合金中按匀晶转变析出粗大的渗碳体，称为一次渗碳体，L≒Fe3CⅠ，组织为液相合金+Fe3CⅠ。2）当合金温度冷却至共晶温度（1127℃）时，液相合金中的含碳量变化至共晶点，液相合金发生共晶转变L≒γ+Fe3C，组织为共晶莱氏体Ld+Fe3CⅠ。3）温度继续降低，共晶莱氏体中的奥氏体将析出二次渗碳体，组织为：莱氏体+一次渗碳体+二次渗碳体。4）当温度降低至共析温度（727℃），共晶莱氏体中奥氏体中的碳含量变化至共析点，发生共析转变形成珠光体，γ≒α+Fe3C，此时组织为：珠光体（低温莱氏体L’d）+一次渗碳体+二次渗碳体。5）继续冷却，珠光体中的铁素体将会析出三次渗碳体，但数量很少，可以忽略不计。所以室温下的组织为：珠光体（低温莱氏体L’d）+渗碳体（一次渗碳体+二次渗碳体+共晶渗碳体）。组织含量计算：组织含量计算：WL’d={（6.69-2.11）/（6.69-0.77）}×{（6.69-4.7）/（6.69-2.11）}×100%≈33.5%WFe3C=1-WL’d≈66.5%相含量计算：Wα={（6.69-0.77）/（6.69-0.0218）}×WL’d×100%≈29.7%，WFe3C=1-Wα≈80.3%4-3计算铁碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大可能含量。答：二次渗碳体最大含量：我们知道二次渗碳体是从奥氏体中析出的，随奥氏体的含量增多，二次渗碳体的含量增多。而且二次渗碳体的含量随着奥氏体中的碳含量增加而增大所以根据铁碳相图，当铁碳合金中的碳含量为2.11%可以获得最多的奥氏体含量以及最大的奥氏体含碳量，也就是所可以得到最多的二次渗碳体含量。其含量=（2.11-0.77）/（6.69-0.77）×100%≈22.6%三次渗碳体最大含量：我们知道三次渗碳体是从铁素体中析出的，所以必然随着铁素体的含量增多而增多。而且要析出渗碳体必须要足够的碳含量，所以铁素体中的碳含量越多，越容易析出三次渗碳体。根据铁碳相图，当铁碳合金中的碳含量为0.0218%时，可以获得最多的铁素体含量。其含量=0.0218/6.69×100%≈0.33%4-4分别计算莱氏体中共晶渗碳体、二次渗碳体、共析渗碳体的含量。答：共晶渗碳体含量：WFe3C（晶）=（4.3-2.11）/（6.69-2.11）×100%≈47.8%，WA=1-WFe3C（共）≈52.2%二次渗碳体含量：WFe3CⅡ=（2.11-0.77）/（6.69-0.77）×WA×100%≈11.8%共析渗碳体含量：WFe3C（析）={（0.77-0.0218）/（6.69-0.0218）}×（WA-WFe3CⅡ）×100%≈4.5%4-5为了区分两种弄混的碳钢，工作人员分别截取了A、B两块试样，加热至850℃保温后以极慢的速度冷却至室温，观察金相组织，结果如下：A试样的先共析铁素体面积为41.6%，珠光体的面积为58.4%。B试样的二次渗碳体的面积为7.3%，珠光体的面积为92.7%。设铁素体和渗碳体的密度相同，铁素体中的含碳量为零，试求A、B两种碳钢含碳量。答：对于A试样：设A含碳量为X%，由题述知先共析铁素体含量为41.6%可以得到41.6%={（0.77-X）/0.77-0.0218}×100%，得出X≈0.45，所以A中含碳量为0.45%。对于A试样：设B含碳量为Y%，由题述知二次渗碳体含量为7.3%可以得到7.3%={（Y-0.77）/(6.69-0.77)}×100%，得出Y≈1.2，所以B中含碳量为1.2%。4-6利用铁碳相图说明铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系。答：成分和组织之间的关系：从相组成的角度，不论成分如何变化，铁碳合金在室温下的平衡组织都是由铁素体和渗碳体两相组成。当碳含量为零，铁碳合金全部由铁素体组成，随着碳含量的增加铁素体的含量呈直线下降，直到碳含量为6.69%时，铁素体含量为零，渗碳体含量则由零增至100%。含碳量的变化还会引起组织的变化。随着成分的变化，将会引起不同性质的结晶和相变过程，从而得到不同的组织。随着含碳量的增加，铁碳合金的组织变化顺序为：F→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+L’d→L’d→L’d+Fe3CⅠ(F代表铁素体，P代表珠光体，L’d代表低温莱氏体)组织和性能之间的关系：铁素体相是软韧相、渗碳体相是硬脆相。珠光体由铁素体和渗碳体组成，渗碳体以细片状分散地分布在铁素体基体上，起强化作用，所以珠光体的强度、硬度较高，但塑性和韧性较差。在亚共析钢中，随着含碳量增加，珠光体增多，则强度、硬度升高，而塑性和韧性下降。在过共析钢中，随着含碳量增加，二次渗碳体含量增多，则强度、硬度升高，当碳含量增加至接近1%时，其强度达到最高值。碳含量继续增加，二次渗碳体将会在原奥氏体晶界形成连续的网状，降低晶界的强度，使钢的脆性大大增加，韧性急剧下降。在白口铁中，随着碳含量的增加，渗碳体的含量增多，硬度增加，铁碳合金的塑、韧性单调下降，当组织中出现以渗碳体为基体的低温莱氏体时，塑、韧性降低至接近于零，且脆性很大，强度很低。铁碳合金的硬度对组织组成物或组成相的形态不十分的敏感，其大小主要取决于组成相的数量和硬度。随着碳含量增加，高硬度的渗碳体增多，铁碳合金的硬度呈直线升高。低碳钢铁素体含量较多，塑韧性好，切削加工产生的切削热大，容易粘刀，而且切屑不易折断，切削加工性能不好。高碳钢渗碳体含量多，硬度高，严重磨损刀具，切削加工性能不好。中碳钢，铁素体和渗碳体比例适当，硬度和塑性适中，切削加工性能好。低碳钢铁素体含量较多，塑韧性好，可锻性好；高碳钢渗碳体含量多，硬度高，可锻性变差。4-7铁碳相图有哪些应用，又有哪些局限性。答：应用：由铁碳相图可以计算出不同成分的铁碳合金其组成相的相对含量。由铁碳相图还可以反映不同成分铁碳合金的结晶和相变特性。由铁碳相图可大致判断不同成分铁碳合金的力学性能和物理性能。由铁碳相图可大致判断不同成分铁碳合金的铸造性能、可锻性和切削加工性等工艺性能。局限性：铁碳相图反映的是在平衡条件下相的平衡，而不是组织的平衡。相图只能给出铁碳合金在平衡条件下相的类别、相的成分及其相对含量，并不能表示相的形状、大小和分布，即不能给出铁碳合金的组织状态。铁碳相图给出的仅仅是平衡状态下的情况，而平衡状态只有在非常缓慢加热和冷却，或者在给定温度长期保温的情况下才能得到，与实际的生产条件不是完全的相符合。铁碳相图只反映铁、碳二元系合金相的平衡关系，而实际生产中所使用的铁碳合金中往往加入其他元素，此时必须要考虑其他元素对相图的影响，尤其当其他元素含量较高时，相图中的平衡关系会发生重大变化，甚至完全不能适用。