第五章 铁碳合金相图及应用

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%。
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。
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
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。Hale Waihona Puke Baidu2.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
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+Fe3CIII Fe3CIII常沿铁素体晶界呈片状 析出,量很少(0.3%),可忽略 不计。
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？
铁碳相图分析 第二节 铁碳合金相图分析 P73 ➢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：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(0.0218 <wc<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-Wc)/6.69 WFe3C=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):
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。
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。
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。
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。
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。
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10001250℃；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。
白口铸铁平衡凝固到室温时组织 P79 亚共晶白口铸铁(2.11<wc<4.3%C) :P+Fe3CII+Ld 共晶白口铸铁(4.3%C):Ld 过共晶白口铸铁(4.3<wc< 6.69%C):Ld+Fe3CI
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。
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。
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)。
合金成分与工艺性能关系P82
➢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。
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。
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。
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。
本章作业：P84 5-1、5-2、5-3、5-7 作业参考答案：
1.默画简化后的Fe-Fe3C相图，填写各相区的相和组织组成物。
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。
过共析钢(0.77 <wc≤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)/6.69 WFe3C=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。