课题三掌握并运用铁碳合金相图

本项目主要内容：任务1认识铁碳合金基本组织任务2读懂铁碳合金相图任务3熟悉铁碳合金结晶过程及其组织任务4掌握铁碳合金相图在工业生产中的应用课题三掌握并运用铁碳合金相图

学习目标知识目标：掌握铁碳合金含碳量对平衡组织及性能的影响。能力目标：能把铁碳合金相图应用于实际生产中。纯铁的含碳量Wc<0.0218%铁碳合金是以铁和碳为主，并含有少量硅、锰、硫、磷元素的合金，形成具有一定特性的相和组织。任务一认识铁碳合金基本组织1.纯铁的多晶型转变（同素异构转变）同素异构转变：固态下金属晶体结构的改变，从一种晶体结构转变到另一种结构，也称相变或重结晶。每进行一次重结晶，可使晶粒细化一次。当纯铁由液态冷却至l583℃（熔点）时，将发生结晶，结晶产物是体心立方晶格δ－Fe；冷至1394℃时将发生同素异构转变，变为面心立方晶格的γ－Fe；当冷却至912℃时又发生同素异构转变，变为体心立方晶格α－Fe，此后不再发生变化。δ－Fe、γ－Fe、α－Fe是纯铁的三种同素异构体。2.铁碳合金的基本相（1）铁素体（F）：碳溶解在体心立方晶格α－Fe中所形成的间隙固溶体。碳的溶解度在727℃达到最大（0.0218％），室温下几乎为零。铁碳合金基本相有：铁素体、奥氏体、渗碳体铁素体在钢中是作为基体，性能与α－Fe类似，即强度、硬度很低，而塑性很好。在显微镜下观察，铁素体晶粒呈白亮色的多边形，770℃是磁性转化温度，在770℃以下具有铁磁性。铁素体的显微组织铁素体

（2）奥氏体（A）：奥氏体是碳溶于面心立方晶格γ—Fe中形成的间隙式固溶体，代号为A奥氏体存在于727～1495℃之间。碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11％（1148℃）。奥氏体的显微组织也呈多边形，无铁磁性。硬度很低（170～220HBS），塑性很好（δ＝40％～50％），易发生塑性变形，适合冷、热压力加工。尤其是锻压加工都是将钢铁材料加热到奥氏体。奥氏体的显微组织奥氏体（3）渗碳体（Fe3C或Cm）渗碳体的晶胞示意图渗碳体：含碳量（wc）为6.69％的铁与碳的金属化合物，其化学式为Fe3C。熔点为l227℃，不发生同素异构转变。渗碳体在230℃以下具有弱铁磁性，230℃以上则失去铁磁性。渗碳体在不同的相变条件下，形貌可呈片状、长条状、网状、颗粒状或球状等。其形貌与分布对钢的性能影响很大。渗碳体的硬度极高（950～1050HV），可刻划玻璃，但极脆，塑性、韧性几乎为零。渗碳体在钢中数量较少，主要起强化作用（1）珠光体（P）：铁素体和渗碳体的混合物，用符号P表示。

光学显微镜观察组织电子显微镜观察组织3.铁碳合金的基本组织（多相组织）基本组织：珠光体和莱氏体。珠光体wc0.77％，强度(770MPa)较高，硬度（180～200HBS）适中，有一定的塑性（δ≈20％～35％）和韧性,综合力学性能较好。适于压力加工及切削加工。相图中珠光体是层片状的组织。（2）莱氏体低温莱氏体的显微组织莱氏体：分为高温莱氏体和低温莱氏体。高温莱氏体：奥氏体（A）和渗碳体(Fe3C)的混合物，用符号Ld表示。低温莱氏体：室温下的莱氏体，由珠光体(P)和渗碳体(Fe3C)组成，用符号Ld′表示。莱氏体wc4.3％，Fe3C相对量也较多（约占64％以上），故莱氏体的性能与渗碳体相似，即硬而脆。任务二读懂铁碳合金相图

学习目标知识目标：会识读铁碳合金相图，理解特征点与特征线的含义。能力目标：能熟练运用铁碳合金相图于生产实际。学习内容1.铁碳合金的相图2.简化的铁碳合金相图分析1.铁碳合金相图铁碳合金的相图是在缓慢加热或缓慢冷却的情况下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形，是通过实验测出来的。铁和碳是组成合金的组元，对于含碳量大于6.69％的合金脆性大，没有使用价值。目前使用的是含碳量为0～6.69％的简化图，即Fe－Fe3C相图。Fe和CL相：液态下无限互溶、成分均匀固溶体相：C溶于Fe中形成F、A等金属化合物相：Fe与C化合形成Fe3C铁碳合金中的组元：Fe、C铁碳合金中的相：液相L、α、γ和δ固溶体、

Fe3C金属化合物在铁碳合金中碳既可溶入α–Fe、γ-Fe，也可以溶入δ-Fe，形成不同的固溶体。2.简化铁碳合金相图分析Fe－Fe3C相图为二元合金的相图，横坐标为成分，纵坐标为温度。特征线将相图分成八个区。每个区中的点都表明一定成分合金在一定温度下所处的相或组织状态，这个点称为像点，即状态点。2.简化铁碳合金相图分析（1）相图中的两个恒温转变——共晶转变和共析转变1）共晶转变：一定成分的一个液相在一定温度下同时生成两个固相，图中的共晶转变是在1148℃时，L4.3％c

A2.11％C＋Fe3C6.69％C2.简化铁碳合金相图分析2）共析转变：一定成分的一个固相在一定温度下同时生成两个固相，图中发生的共析转变是在727℃A0.77％C

F0.0218％c

＋Fe3C6.69％C（2）相图中的特征点（3）相图中的特征线（3）相图中的特征线4.铁碳合金的分类白口铸铁工业纯铁Wc<0.0218%组织：铁素体和少量三次渗碳体钢亚共析钢（0.0218％＜Wc<0.77%）

共析钢（Wc＝0.77%）过共析钢（0.77%＜Wc＜2.11％)组织：F+P组织：P+Fe3CⅡ组织：P亚共晶白口铸铁(2.11%＜Wc＜4.3％)

组织：P＋Fe3CⅡ＋Ld′共晶白口铸铁(Wc＝4.3%)组织：Ld′过共晶白口铸铁(4.3%＜Wc＜6.69％）组织：Ld′+Fe3CⅡ0.0218%＜Wc＜2.11％2.11%＜Wc＜6.69％

学习目标知识目标：掌握典型铁碳合金结晶过程及其组织。能力目标：能把铁碳合金结晶过程应用于生产实践。学习内容1.共析钢（Wc＝0.77%Ⅰ号合金）的结晶过程分析2.亚共析钢（Wc＝0.45%，Ⅱ号合金）的结晶过程分析3.过共析钢（Wc＝1.2%，Ⅲ号合金）的结晶过程分析4.共晶白口铁（Wc＝4.3％，Ⅳ号合金）结晶过程分析5.亚共晶白口铸铁（Wc＝3.0％，Ⅳ号合金）的结晶过程分析6．过共晶白口铸铁（Wc＝5.0％，Ⅵ号合金）的结晶过程分析任务三熟悉铁碳合金结晶过程及其组织I号合金（0.77％C）从液态冷却至室温，冷却过程中的相变过程及组织变化：LL＋AAA+F＋Fe3CF＋Fe3C。1.共析钢（Wc＝0.77%，Ⅰ号合金）的冷却过程分析白条（较宽）为铁素体，黑色条状为渗碳体，片层相互平行的区域称为一个珠光体团。2.亚共析钢（Wc＝0.45%，Ⅱ号合金）的冷却过程分析黑色是珠光体，白色块状组织是铁素体，由于放大倍数太低，珠光体中铁素体和渗碳体的片层未能区分开。3.过共析钢（Wc＝1.2%，Ⅲ号合金）的冷却过程分析黑色是珠光体，白色网状组织是二次渗碳体。4.共晶白口铁（4.3％C）冷却过程分析

Ⅳ号合金即共晶白口铸铁（Wc＝4.3％）结晶中的相变过程

概括为5.亚共晶白口铁（3.0％C）的冷却过程分析

Ⅴ号合金（3．o％c）的相变过程

概括为6.过共晶白口铁（5.0％c）的冷却过程分析

Ⅵ号合金冷却过程的相转变过程

概括为任务四掌握铁碳合金相图在工业生产中的应用

学习目标知识目标：掌握铁碳合金含碳量对平衡组织及性能的影响。能力目标：能把铁碳合金相图应用于实际生产中。学习内容1．掌握铁碳合金含碳量对平衡组织及性能的影响2.了解铁碳合金相图在工业生产中的应用含碳量对铁碳合金平衡组织的影响铁碳相图显示：不同含碳量的铁碳合金，具有不同的室温组织，但任何成分的铁碳合金在室温下的组织均由铁素体和渗碳体两相组成。只是随含碳量的增加，铁素体量相对减少，而渗碳体量相对增多，渗碳体的形状和分布也发生变化，从而形成不同的组织。室温时，随含碳量的增加，铁碳合金的组织变化如下：

含碳量对力学性能的影响（1）含碳量增加，硬度增加（2）含碳量增加，塑性韧性降低（3）含碳量增加，强度先增后降（0.9%最高）铁素体(F)：软而韧渗碳体(Fe3C):硬而脆2.了解铁碳合金相图在工业生产中的应用①切削性能:中碳钢最合适

碳合金相图能表明材料的组织与成分、温度之间的关系，它在选材、铸造、锻造、焊接和热处理等方面都得到广泛的应用②铸造性能（共晶合金好）根据Fe－Fe3C相图确定浇注温度在液相线以上50～100℃较好。共晶成分的合金熔点最低，结晶温度范围最小，流动性好、缩孔少、偏析小，铸造性能最好常用铸钢的含碳量规定在Wc＝0.15％～0.6％范围之间，结晶温度范围较小，铸造性能较好。③可锻性能（低碳钢好）碳钢在室温时是由铁素体和渗碳体组成的复相组织，塑性较差，变形困难，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。含碳量越低锻造性能越好，锻件应优先选用低碳钢或中碳钢。白口铸铁无论是低温还是高温，组织有大量硬而脆的渗碳体，不能锻造。④焊接性能（低碳钢好）铁碳合金的焊接性与含碳量有关，随含碳量增加，组织中渗碳体量增加，钢的脆性增加，塑性下降，导致钢的冷裂倾向增加，焊接性下降。含碳量越高，铁碳合金的焊接性越差。⑤热处理性能（课题四学习）铁碳合金在加热或冷却过程中有相的变化，故钢和铸铁可通过不同的热处理（如退火、正火、淬火、回火及化学热处理等）来改善性能。铁碳合金相图为合理选用钢铁材料提供了塑性、韧性好的各种型材和建筑用钢，应选用含碳量低的钢；对承受冲击载荷，并要求较高强度、塑性和韧性的机械零件，应选用含碳量为0.25％～0.55％的钢；对要求硬度高、耐磨性好的各种工具，应选用含碳量大于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。作

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