《金属材料与热处理》第四章铁碳合金

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学习情境四：铁碳合金 4.3
二、亚共析钢的结晶过程Ⅱ
亚共析钢在3点以前的结晶过 程与共析钢类似； 当缓冷到3点时，从均匀的奥 氏体中开始析出铁素体； 当缓冷到4点(727℃)时，剩 余的奥氏体的Wc=0.77%，发 生共析转变而形成珠光体；
亚共析钢的室温平衡组织均为铁素体+珠光体
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学习情境四：铁碳合金 4.3
2、奥氏体（符号A）
奥氏体是碳溶于γ-Fe中所 形成的间隙固溶体，面心立 方晶格。碳在γ-Fe中的溶碳 量较高，1148℃时2.11%； 1148℃时为0.77%。其强度和 硬度比铁素体高，塑性、韧 性也好。其晶粒呈多边形， 晶界较铁素体平直。
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3、渗碳体（符号Fe3C） 渗碳体是铁与碳形成 的金属化合物，碳含量是 6.69％，具有复杂的晶体 结构。其硬度很高，塑性 和韧性很差，脆性很大。
学习情境四：铁碳合金
第四章 铁碳合金
1、了解铁碳合金的五种基本组织结构 和性能特点。 2、掌握简化的 Fe-Fe3C状态图特征线。
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学习情境四：铁碳合金
4.1 铁碳合金的基本组织和性能
铁碳合金：目前使用最广泛的钢铁材料，基本 组元是铁和碳，统称为铁碳合金。
铁碳合金可形成5种基本组织： 铁素体（符号F）、奥氏体（符号A）、渗碳体（符号 Fe3C）、珠光体（符号P）、莱氏体（符号Ld）
三、过共析钢的结晶过程Ⅲ
室温组织是珠光体+网状二 次滲碳体。
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学习情境四：铁碳合金 4.3
四、共晶白口铸铁结晶过程Ⅳ
Wc=4.3%
室温组织是低温莱氏体
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学习情境四：铁碳合金 4.3
五、亚共晶白口铸铁的结晶过程Ⅴ
室温组织是珠光体、二次 渗碳体和低温莱氏体。
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学习情境四：铁碳合金 4.3
六、过共晶白口铸铁的结晶过程
莱氏体是由奥氏体和渗碳 体组成的机械混合物。是在 1148℃恒温下发生共晶转变的 产物，平均碳含量4.3%。
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学习情境四：铁碳合金 4.1
五种组织的分类和特点：
1）铁素体、奥氏体和渗碳体是单相组织，是铁碳合 金的基本相； 珠光体和莱氏体是由基本相组成的多相组织。
2）铁碳合金基本组织的性能特点，见表4-1。
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二、选择题
1、是具有（ ）晶格的铁。 A 体心立方 B 面心立方 C密排六方 D 无规则几何形状 2、合金发生固溶强化的主要原因（ ）。 A晶格类型发生了变化 B 晶粒细化 C 晶格发生畸形 D 晶界面积发生变化 3、铁碳合金相图上的共析线是（ ）。 A、ACD B、ECF C、PSK 4、组成合金的最基本的独立物质称为（ ）。 A、相 B、组元 C、组织 5、单晶体的滑移变形是在（ ）的作用下发生的。 A、切应力 B、拉应力 C、压力
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学习情境四：铁碳合金 4.1
1、铁素体（符号F）
铁素体是碳溶于α-Fe中所形 成的间隙固溶体，体心立方晶格。 碳在α-Fe中的溶解度很小， 727℃时0.0218%；室温时为 0.0008%,几乎为零，力学性能与 纯铁相似。其强度和硬度很低， 塑性、韧性好。显微组织是明亮 的多边形晶粒。
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4.3 铁碳合金的平衡结晶过程
一、共析钢的结晶过程Ⅰ 二、亚共析钢的结晶过程Ⅱ 三、过共析钢的结晶过程Ⅲ 四、共晶白口铸铁结晶过程Ⅳ 五、亚共晶白口铸铁的结晶过程Ⅴ 六、过共晶白口铸铁的结晶过程
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学习情境四：铁碳合金 4.3
一、共析钢的结晶过程（Ⅰ ）
Wc=0.77% 液态合金——开始从液 相结晶出奥氏体—— 温度降到S点时，奥氏 体在恒温下发生共析转 变，转变为珠光体。 其室温组织是珠光体。
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学习情境四：铁碳合金 4.2
5）GS线 奥氏体冷却时开始向铁素体转变的温度线，通常称为A3线。
6）PSK水平线 共析线，通常称为A1 线。奥氏体冷却到共析 线温度（727℃）时， 将发生共析转变生成珠 光体（P），wC＞ 0.0218%的铁碳合金均 会发生共析转变。
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学习情境四：铁碳合金 4.4
低碳钢：Wc=0.1-0.25% 中碳钢：Wc=0.25-0.6% 高碳钢：Wc=0.6-1.4% 随着Wc的增加，硬度、强度都增加。
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学习情境四：铁碳合金 4.3
三、铁碳合金状态图的应用
1、在钢铁材料选用方面 2、在铸造生产上的应用 3、在锻造方面的应用 4、在焊接方面的应用 5、在热处理方面的应用
8Hale Waihona Puke Baidu
学习情境四：铁碳合金 4.1
课堂习题
1、铁碳合金的基本组织有五种，它们 是 、 、 、 、 。 2、铁碳合金的基本相是 、 和 。 3、在铁碳合金基本组织中属于固溶体的 有 和 ，属于金属化合物的是 ，属于混合 物的有 和 。 4、分别填出下列铁碳合金组织的符号： 奥氏体 ，铁素体 ，渗碳体 ，珠光体 ，高温 莱氏体 ，低温莱氏体
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1、在钢铁材料选用方面的应用
Fe－Fe3C相图反映了铁碳合金的组织、性能随成分的变化 规律，为钢铁材料的选用提供了依据。如各种型钢及桥梁、船 舶、各种建筑结构等，都需要强度较高、塑性及韧性好、焊接 性能好的材料，故一般选用含碳量较低（WC＜0.25％）的钢材； 各种机械零件要求强度、塑性、韧性等综合性能较好的材料， 一般选用碳含量适中（WC＝0.30％～0.55％）的钢；各类工具、 刃具、量具、模具要求硬度高，耐磨性好的材料，则可选用含 碳量较高（WC＝0.70％～1.2％）的钢。纯铁的强度低，不宜 用作工程材料。白口铸铁硬度高、脆性大，不能锻造和切削加 工，但铸造性能好，耐磨性高，适于制造不受冲击、要求耐磨、 形状复杂的工件，如冷轧辊、球磨机的铁球等。
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学习情境四：铁碳合金 4.2
四、铁碳合金分类
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学习情境四：铁碳合金 4.2
课堂习题
1、铁碳合金相图是表示在缓慢冷却或加热条件下， 不同（ ）的铁碳合金的（ ）随（ ） 变化 的图形。 2、从奥氏体中析出的渗碳体称为（ ），从液体 中结晶出的渗碳体称为（ ）。 3、铁碳合金相图上的共析线是（ ）。 4、亚共析钢冷却到PSK线时，要发生共析转变，奥 氏体转变成（ ）。
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学习情境四：铁碳合金 4.1
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一~四单元 习题 一、 填空题
1、常见的金属晶体类型有（ ）晶格、（ ）晶格和（ ）晶格三种。 2、金属的整个结晶过程包括（ ）、（ ）两个基本过程组成。 3、根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位臵不同，固溶体分为（ ） 和（ ）两种。 4、合金常见的相图有（ ）、（ ）、包晶相图和具有稳定化合 物的二元相图。 5、铁碳合金的基本组织中属于固溶体的有（ ）和（ ）,属于金 属化合物的有（ ），属于混合物的有（ ）和莱氏体。 6、原子呈无序堆积状态的物体叫（ ）；原子呈有序、有规则排 列的物体叫（ ）。一般固态金属都属于（ ）。 7、常温下金属的塑性变形方式主要有（ ）和（ ）两种。 8、变形一般分为（ ）变形和（ ）变形两种，不能随载荷的去 除而消失的变形称为（ ）变形。 9、细化晶粒的根本途径是控制结晶时的（ ）及（ ）。 10、只有经过（ ）的金属才会发生再结晶。
2）AECF线 固相线，由各成分合金 结晶结束温度点所组成 的线。在此线以下，合 金完成结晶，全部变为 固体状态。
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3）ECF水平线 共晶线，Wc＞2.11%的铁碳合金，缓冷至该线（1148℃） 时，均发生共晶转变，生成莱氏体。 4）ES线 碳在奥氏体中的溶解度 曲线，通常称为Acm线。 碳在奥氏体中最大溶解 度是E点（wC＝2.11 ％），随着温度的降低， 碳在奥氏体中的溶解度 减小，将由奥氏体中析 出二次渗碳体Fe3CⅡ。
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室温组织是一次渗碳体和 低温莱氏体。
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学习情境四：铁碳合金 4.3
课堂练习 1、共析钢冷却到S点时，会发生共析转变， 从奥氏体中同时析出（ ）和（ ）的 混合物，称为（ ）。 2、过共晶白口铸铁的室温组织是（ ）加 （ ）。 3、共晶白口铸铁的含碳量为（ ）%
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4、珠光体（符号P）
奥珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。是奥氏 体冷却时，在727℃恒温下发生共析转变的产物。显微组织 是铁素体与渗碳体片层状交替排列。性能介于铁素体和渗碳 体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。
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学习情境四：铁碳合金 4.1
5、莱氏体（符号Ld）
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2、在铸造生产上的应用 根据Fe－Fe3C相图的液相线，可以找出不同成分的铁碳合 金的熔点，从而确定合金的熔化浇注温度（一般在液相线 以上50～100℃）。从Fe－Fe3C相图中还可以看出，靠近 共晶成分的铁碳合金不仅熔点低，而且结晶温度区间也较 小，故具有良好的铸造性能。因此生产上总是将铸铁的成 分选在共晶成分附近。
4.4 铁碳合金相图的实际应用
一、含碳量与铁碳合金平衡组织间的关系
铁碳合金的室温组织都是由铁素体和滲碳体两相组成。 随着含碳量的增加，铁素体量逐渐减少，滲碳体量逐渐 增多，且它的形状和分布也有所不同，从而形成不同的 组织。
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学习情境四：铁碳合金 4.4 二、含碳量与力学性能间的关系
强度：当Wc<0.9％时，随 着Wc增加，不断提高；当 Wc>0.9％时，由于渗碳体 在晶界呈网状分布，使钢 的强度下降。 硬度：随Wc的增加而提高。 塑性：随Wc的增加而迅速降低。 冲击韧性：随Wc的增加而迅 速降低。
三、相图中的相区
1）单相区 有F、A、L和Fe3C四个单相区 2）两相区 五个两相区：L＋A两相区、L+Fe3C两相区、A+Fe3C 两相区、A＋F两相区、F+Fe3C两相区 3）三相区 ECF共晶线是液相、奥氏体、渗碳体的三相共存线 （L、A、Fe3C） PSK共析线是奥氏体、铁素体、渗碳体的三相共存 线（A、F、Fe3C）
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学习情境四：铁碳合金 4.2
7）S点 共析点，温度727℃， Wc=0.77% 成分为S点的奥氏体，冷 却到此温度时，发生共析 反应：As→P（Fp+Fe3C）
8）P点 碳在α-Fe中的最大溶解度, 温度727℃，Wc=0.0218%
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学习情境四：铁碳合金 4.2 二、相图中的特性线
1）ACD线 液相线，由各成分合金开始 结晶温度点所组成的线，铁 碳合金在此线以上处于液相。
一、相图中特征点的含义 1）A点 纯铁的熔点，温度 1538℃,Wc=0
2）G点 纯铁的同素异晶转变点， 冷却到912℃时,发生γF→α-Fe
3）Q点 600℃时,碳在α-Fe中的 溶度,Wc=0.0057%
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4）D点 渗碳体熔点,温度 1227℃,Wc=6.69% 5）C点 共晶点，温度1148℃， Wc=4.3% 成分为C的液相，冷却 到此温度时，发生共晶 反应：Lc→Ld （AE+Fe3C） 6）E点 碳在γ-Fe中的最大溶解度,温度1148℃，Wc=2.11%
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学习情境四：铁碳合金 4.2
4.2 Fe3C相图分析
• 铁碳合金相图是在缓慢冷却条件下，不同 成分的铁碳合金组织随温度变化规律的图。
• 目前应用的铁碳合金状态图是含碳量为0～ 6.69%的铁碳合金部分（即Fe－Fe3C部分）， 因为含碳量大于6.69％的铁碳合金在工业上无使 用价值。
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3、在锻造方面的应用
碳钢在室温下塑性较差，变形较困难，只有将其加 热到单一奥氏体状态，才具有较高的塑性和较低的 强度，容易产生塑性变形。所以，锻、轧温度通常 选在单相奥氏体区内。一般始锻（或始轧）温度控 制在固相线以下100～200℃范围内，温度不宜太高， 以免钢材严重氧化或发生奥氏体晶界熔化（过烧）。 终锻（或终轧）温度，一般亚共析钢控制在稍高于 GS线，过共析钢控制在稍高于PSK线。温度不能太低， 以免钢材因塑性变差，导致产生裂纹。
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学习情境四：铁碳合金 4.3
4、在焊接方面的应用 焊接时由焊缝到母材各区域的温度是不同的，根据Fe－Fe3C 相图可知，受到不同加热温度的各区域在随后的冷却中可能 会出现不同的组织和性能。这需要在焊接之后采用相应的热 处理方法加以改善。 5、在热处理方面的应用
Fe－Fe3C相图是制订热处理工艺的依据。应用Fe－Fe3C相 图可以正确选择各种碳钢的退火、正火、淬火等热处理的 加热温度范围。由于含碳量的不同，各种碳钢热处理的加 热温度和组织转变也各不相同，都可从状态图中求得。