中职《金属材料与热处理》3 项目三教案

材料科学与工程学院教案用纸课程章节名称项目三金属的晶体结构与结晶教学目的、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