第五章-铁碳合金相图及应用

第五章铁碳合金相图及应用4学时铁碳合金基本相→铁碳相图重要点、线、区分析→铁碳合金分类→工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢凝固结晶分析→合金成分与组织性能关系及应用第一节铁碳合金中的相P72铁碳合金相图是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据。铁素体F(或):碳在α-Fe中的间隙固溶体。高温铁素体δ:高温下碳在δ-Fe中的间隙固溶体。铁素体为体心立方结构，强度硬度低，塑性韧性好。奥氏体A(或):碳在-Fe中的间隙固溶体。奥氏体为面心立方结构,强度硬度低、塑性韧性好,钢热加工都在奥氏体区进行。渗碳体Fe3C:含碳6.69%,是硬而脆的间隙相，硬度为950-1050Hv，塑性和韧性几乎为零。思考题：什么是铁素体和奥氏体？铁素体和奥氏体分别具有何种晶体结构？第二节铁碳合金相图分析P73铁碳相图分析重要点:共析成分点S(0.77%C)；共晶成分点C(4.3%C)。重要线:A1线(PSK),A3线(GS),Acm线(ES)。相区:单相区、两相区和三相区。渗碳体:从液相、奥氏体、铁素体中析出的一次、二次、三次渗碳体。共析反应和共晶反应:A=F+Fe3C,L=A+Fe3C。珠光体P和莱氏体Ld:共析反应形成的铁素体和渗碳体的机械混合物；共晶反应形成的A与Fe3C的机械混合物。思考题：1.画出简明铁碳相图，并标出各相区内的相。2.写出共晶反应式和共析反应式。3.什么是一次、二次和三次渗碳体？4.什么是珠光体和莱氏体？工业纯铁(wc≤0.0218%C)平衡结晶过程分析P76室温下相组成物：α+Fe3C室温下组织组成物：F+Fe3CIIIFe3CIII常沿铁素体晶界呈片状析出,量很少(0.3%),可忽略不计。思考题：工业纯铁平衡凝固到室温时组成相和组织组成物各是什么？画出工业纯铁平衡凝固到室温时的组织示意图。共析钢(0.77%C)平衡凝固结晶过程P77室温下相组成物:α+Fe3C相相对量:Wα=(6.69-0.77)/6.69=88.5%WFe3C=1-88.5%=11.5%室温下组织组成物:100%P;珠光体为F与FeC3层片相间组织，性能介于铁素体和渗碳体之间。思考题：共析钢平衡凝固到室温时相组成物和组织组成物各是什么？画出共析钢平衡凝固到室温时的组织示意图。亚共析钢(0.0218wc0.77%C)平衡凝固结晶过程P77室温下相组成物:α+Fe3C相相对量:Wα=(6.69-Wc)/6.69WFe3C=1-Wα室温下组织组成物:F+P+Fe3CIII少量相对量(不考虑三次渗碳体时):WF=(0.77-Wc)/(0.77-0.0218)WP=1-Wα思考题：1.亚共析钢平衡凝固到室温时的相和组织组成物各是什么？2.亚共析钢平衡凝固组织中的铁素体和珠光体含量随其含碳量的增加如何变化？α相和渗碳体相又如何变化？3.根据含碳量计算亚共析钢相和组织组成物的相对量(不考虑Fe3CIII)。过共析钢(0.77wc≤2.11%C)平衡凝固结晶过程分析P79相组成物：α+Fe3C相相对量:Wα=(6.69-Wc)/6.69WFe3C=1-Wα组织组成物：P+Fe3CII组织相对量:WP=(6.69-Wc)/(6.69-0.77)WFe3CII=1-WP思考题：过共析钢的相和组织组成物各是什么？根据所给过共析钢的含碳量计算其相和组织组成物的相对量。白口铸铁平衡凝固到室温时组织P79思考题：1.分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体和共析渗碳体的异同之处。相同点：都是渗碳体，晶体结构、成分、性能相同。不同点：一次渗碳体从液相析出，二次渗碳体从奥氏体析出，三次渗碳体从铁素体析出，共晶渗碳体共晶反应时形成，共析渗碳体共析反应时形成。亚共晶白口铸铁(2.11wc4.3%C):P+Fe3CII+Ld共晶白口铸铁(4.3%C):Ld过共晶白口铸铁(4.3wc6.69%C):Ld+Fe3CI思考题：2.根据铁碳相图解释下列现象:1)进行热轧和锻造时,通常将钢材加热到1000-1250℃；2)钢铆钉一般用低碳钢制造；3)绑扎物件铁丝一般为镀锌低碳钢丝,而起重机吊重物时用钢丝绳用含碳0.60%、0.65%、0.70%的钢等制成；4)在1100℃时，Wc=0.4%的碳钢能进行锻造，而Wc=4%的铸铁不能进行锻造；5)室温下Wc=0.8%的碳钢比Wc=1.2%的碳钢强度高；6)亚共析钢适于压力加工成形，而铸铁适于铸造成形。答：1）钢材加热到1000-1250℃时为单相奥氏体组织，奥氏体强度低、塑性好，适于进行热轧和锻造；2）低碳钢能满足铆钉低强度和高塑性性能要求；3）绑扎物件的铁丝要求低强度和高塑性，镀锌可提高铁丝的抗腐蚀性能，故用镀锌低碳钢丝；吊重物的钢丝绳要求高强度，故用含碳量较高的钢制造；4）含碳量0.4%的碳钢在1100℃为奥氏体组织，具有低强度和高塑性，故能进行锻造；含碳量为4%的铸铁在1100℃为A和莱氏体，莱氏体的塑性很差，不适合锻造；5）含碳量为0.8%的钢组织为P+Fe3CII少量，因珠光体强度高，因而具有较高的强度；含碳量为1.2%的碳钢虽组织也为P+Fe3CII，但二次渗碳体呈网状分布于晶界，脆性大，因而强度低；6）亚共析钢具有良好的塑性,因而适于压力加工成形；铸铁熔点低，具有良好的铸造性能，因而适于铸造成形。3.现有形状和尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金，它们的碳含量分别为0.2、0.45、1.2和3.5%，根据您所学的知识，可用哪些方法来区别它们？答：1.硬度法：硬度由低到高依次为含碳0.2、0.45、1.2和3.5%的铁碳合金。2.组织观察法：组织为F+P+Fe3CIII的铁碳合金含碳量为0.2和0.45%，这两种对比，F多的是0.2%铁碳合金，少的为0.45%合金；组织为P+Fe3CII的为1.2%铁碳合金；组织为P+Fe3CII+Ld的为3.5%铁碳合金。4.根据铁碳相图，说明室温下含碳量分别为0.2和1.2%的钢的组成相及组织组成物，并计算这两种钢的相的相对量和组织组成物的相对量(组织组成物计算时三次渗碳体量忽略不计)。0.2%和1.2%钢室温下的组成相均为α+Fe3C；0.2%钢室温下的组织组成物为α+P+Fe3CIII，1.2%钢室温下的组织组成物为P+Fe3CII相的相对量计算:对于0.2%钢,Wα=(6.69-0.2)/6.69=97%；WFe3C=1-97%=3%。对于1.2%钢,Wα=(6.69-1.2)/6.69=82.1%；WFe3C=1-82.1%=17.9%组织组成物计算:对于0.2%钢,三次渗碳体量忽略不计时，Wα=(0.77-0.2)/(0.77-0.0218)=76.2%；WP=1-76.2%=23.8%。对于1.2%钢,WP=(6.69-1.2)/(6.69-0.77)=92.7%；WFe3CII=1-92.7%=7.3%5.某仓库中积压了许多退火状态的碳钢，由于钢材混杂不知其化学成分，现找出其中一根，经金相分析后发现组织为珠光体和铁素体，其中珠光体占75%，问此钢的碳含量大约为多少？(组织组成物计算时三次渗碳体量忽略不计)。设钢含碳量为X，因为三次渗碳体量忽略不计，所以(X-0.0218)/(0.77-0.0218)=75%，X=0.583%第三节铁碳合金成分、组织与性能的关系及应用P81合金成分与平衡组织关系相变化规律:含碳量↑,F单调减少，渗碳体单调增加。组织变化规律:F→F+Fe3CIII→F+P→P→P+Fe3CII→P+Fe3CII+Ld→Ld→Ld+Fe3CI合金成分与力学性能关系P81亚共析钢随含碳量增加，P量增加，强度、硬度升高，塑性、韧性下降。过共析钢当含碳量接近1%时强度最高，含碳量继续增加，在晶界易形成连续网状Fe3CⅡ,反而导致强度下降,但硬度仍上升。白口铁中因存在大量渗碳体，脆性大，强度低。思考题:1.比较平衡状态下碳含量分别为0.45、0.80和1.2%碳钢的强度、硬度、塑性和韧性的大小。随含碳量增加，硬度增加，即硬度由高到低依次为含碳量1.2、0.8和0.45%的钢；随含碳量增加，塑性和韧性下降，即塑性和韧性由高到低依次为0.45、0.8%和1.2%的钢；含碳量0.8%碳钢的强度最高，其次是1.2%钢，0.45%钢强度最低。合金成分与工艺性能关系P82铁碳相图的应用P83选材:根据成分组织性能间关系,为零件按力学性能选材提供依据；铸造工艺:据相图确定浇注温度(液相线温度以上50-100℃)及分析铸造性能优劣；锻轧工艺:根据相图确定始锻温度(液相线温度以下100-200℃)；焊接工艺：根据相图分析焊缝组织和焊接性能；热处理工艺：根据相图确定热处理工艺温度。铸造性能:近共晶成分合金铸造性能好，铸铁优于钢；可锻性能:低碳钢优于高碳钢；焊接性能:低碳钢优于高碳钢；可加工性:中碳钢优于低、高碳钢,硬度在170-250HBW可加工性好;热处理性能:第六章介绍。本章作业：P845-1、5-2、5-3、5-7作业参考答案：2.解释下列名词：铁素体、奥氏体、珠光体和莱氏体。答：铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体；奥氏体是碳在-Fe中的间隙固溶体；珠光体是共析反应形成的铁素体和渗碳体的机械混合物；莱氏体是共晶反应形成的奥氏体与渗碳体的机械混合物。3.分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体和共析渗碳体的异同之处。答：相同点：都是渗碳体，晶体结构、成分、性能相同。不同点：一次渗碳体从液相析出，二次渗碳体从奥氏体析出，三次渗碳体从铁素体析出，共晶渗碳体共晶反应时形成，共析渗碳体共析反应时形成。1.默画简化后的Fe-Fe3C相图，填写各相区的相和组织组成物。7.根据铁碳相图解释下列现象:1)进行热轧和锻造时,通常将钢材加热到1000-1250℃；2)钢铆钉一般用低碳钢制造；3)绑扎物件铁丝一般为镀锌低碳钢丝,而起重机吊重物时用钢丝绳用含碳0.60%、0.65%、0.70%的钢等制成；4)在1100℃时，Wc=0.4%的碳钢能进行锻造，而Wc=4%的铸铁不能进行锻造；5)室温下Wc=0.8%的碳钢比Wc=1.2%的碳钢强度高；6)亚共析钢适于压力加工成形，而铸铁适于铸造成形。答：1）钢材加热到1000-1250℃时为单相奥氏体组织，奥氏体强度低、塑性好，适于进行热轧和锻造；2）低碳钢能满足铆钉低强度和高塑性性能要求；3）绑扎物件的铁丝要求低强度和高塑性，镀锌可提高铁丝的抗腐蚀性能，故用镀锌低碳钢丝；吊重物的钢丝绳要求高强度，故用含碳量较高的钢制造；4）含碳量0.4%的碳钢在1100℃为奥氏体组织，具有低强度和高塑性，故能进行锻造；含碳量为4%的铸铁在1100℃为A和莱氏体，莱氏体的塑性很差，不适合锻造；5）含碳量为0.8%的钢组织为P+Fe3CII少量，因珠光体强度高，因而具有较高的强度；含碳量为1.2%的碳钢虽组织也为P+Fe3CII，但二次渗碳体呈网状分布于晶界，脆性大，因而强度低；6）亚共析钢具有良好的塑性，因而适于压力加工成形，铸铁熔点低，具有良好的铸造性能，因而适于铸造成形。