最新职院金属工艺学教案：铁碳合金相图(二)

职业技术学院教案
授课教师：班级：授课日期：课时：2
课题： 1.3 铁碳合金相图（二）
教学目的：通过学习理解合金相图的含义，掌握铁碳合金的分类及铁碳相图在力学性能、材料选材、金属加工工艺方面的应用。

教学重点和难点：重点：合金相图与合金性能的关系。

难点:合金相图与合金性能的关系及铁碳相图在力学性能、材料选材、金属
加工工艺方面的应用。

教学方法：讲授法、分析法、举例法
授课内容：
旧课复习
什么合金相图，它与合金的性能和加工工艺有什么关系？
新课学习
1.3 铁碳合金相图（二）
一、典型铁碳合金的冷却过程及其组织
1、铁碳合金的分类
根据铁碳合金的含碳量和室温组织的不同，把铁碳合金分为工业纯铁、钢和白口铁三类。

（1）工业纯铁碳含量Wc≤0.0218%的铁碳合金，室温组织为F。

(2)钢碳含量0.0218<Wc≤2.11%的铁碳合金，根据不同的室温组织分为三种：
ａ．共析钢，Wc=0.77%，室温组织为P；
ｂ．亚共析钢，0.0218<Wc<0.77%，室温组织为P+F；
ｃ．过共析钢，0.77%<Wc≤2.11%，室温组织为P+Fe3CⅡ。

（3）白口铁碳含量2.11%<Wc≤6.69%铁碳合金，根据不同的室温组织可分为三种：ａ．共晶白口铁，Wc=4.3%，室温组织为Ldˊ；
ｂ．亚共晶白口铁，2.11%<Wc≤4.3%，室温组织为P+Ldˊ+Fe3CⅡ;
ｃ．过共晶白口铁，4.3%<Wc≤6.69%，室温组织为Ldˊ+Fe3C。

2、典型铁碳合金冷却过程分析
（1）共晶钢冷却过程分析
Wc=0.77%的铁碳合金称共析钢。

自高温缓冷至AC线时，液相中开始结晶出奥氏体（A），随着温度下降，奥氏体不断增加，其成分沿AE线变化；同时液体量不断减少，其成分沿AC线变化。

温度降至AE线，液体全部结晶为奥氏体。

继续缓冷至PSK线过程中，合金为单相的奥氏体组织，直至冷到PSK线奥氏体发生共析转变，形成珠光体P，再继续冷至室温，组织不再变化。

（2）亚共析钢冷却过程分析
0.0218<Wc<0.77%的铁碳合金称亚共析钢。

自高温缓冷至AC线时，液体中开始结晶出奥氏体
(A)，随着温度下降，奥氏体不断增加，液体量不断减少，奥氏体和液相成分分别沿AE线和AC 线变化。

温度降至AE线，液体全部结晶为奥氏体，再缓冷至GS线，奥氏体中开始析出铁素体。

随温度下降，铁素体不断增加，其成分沿GP线变化。

当温度降至PSK线时，剩余的奥氏体成分都变为Wc=0.77%，并在此温度下发生共析转变，奥氏体变为珠光体，形成铁素体加珠光体(F+P)的组织，直到室温不再变化。

（3）过共析钢冷却过程分析
0.77%<Wc≤2.11%的铁碳合金称过共析钢。

自高温缓冷至AC线时，液体中开始结晶出奥氏体
(A)，随着温度下降，奥氏体不断增加，液体量不断减少，奥氏体和液相成分分别沿AE线和AC 线变化。

温度降至AE线，液体全部结晶为奥氏体，再冷至ES线，奥氏体中开始析出二次渗碳体，温度继续下降，二次渗碳体量增加而奥氏体减少，奥氏体成分沿ES线变化。

冷至PSK线时，剩余奥氏体成分变为Wc=0.77%，并在此温度下发生共析转变，奥氏体变为珠光体。

形成珠光体和二次渗碳体组织，一直到室温不再变化。

（4）共晶白口铁冷却过程分析
Wc=4.3%的铁碳合金称共晶白口铁。

高温时为液态，缓冷至ECF线（1148℃），Wc=4.3%的液体发生共晶转变，同时析出奥氏体和渗碳体，形成莱氏体。

随着温度继续下降，奥氏体成分沿ES 线变化，不断析出二次渗碳体，冷至PSK线(727℃)时，奥氏体成分变为Wc=0.77%，并在此温度下发生共析转变，奥氏体变为珠光体。

这样，由奥氏体和渗碳体组成的莱氏体组织转变为由珠光体和渗碳体组成的变态莱氏体。

（5）亚共晶白口铁和过共晶白口铁冷却过程分析
亚共晶白口铁（2.11%<Wc≤4.3%）和过共晶白口铁（4.3%<Wc≤6.69%）冷却转变过程中，也是冷至ECF线时的共晶转变和冷至PSK线时的共析转变。

室温组织分别为变态莱氏体+珠光体+二次渗碳体和变态莱氏体+渗碳体。

二、Fe- Fe3C相图的应用
（一）铁碳合金组织和力学性能的关系
1、平衡组织与成分的关系
从铁碳合金相图分析可知：不同成分的合金在室温时有不同的平衡组织，随着铁碳合金中碳
含量的增加，合金组织发生如下变化：
碳含量增加，组织中的铁素体相对量逐渐减少，而渗碳体的相对量逐渐增加，同时渗碳体的形态和分布也在变化，形成不同组织特征。

直接从奥氏体转变形成的铁素体为多边形块状；共析转变产生的铁素体呈片层状；直接从液体结晶析出的一次渗碳体为长条状；从奥氏体中析出的二次渗碳体呈网状，三次渗碳体呈细小片状。

各种组织的组成都是铁素体和渗碳体，但因其形态和分布不同，性能有较大差异。

2、成分组织对力学性能的影响
当Wc<0.9%时，碳含量增加，合金的强度、硬度直线上升，塑性、韧性下降；当Wc>0.9%时，由于网状渗碳体的生成，塑性、韧性急剧下降，强度变差。

当Wc=1.3%-.4%时工程上不用，当Wc>2.11%时渗碳体增加，性能变脆，工业上少用。

（二）选材方面的应用
型材和建筑结构用材，要求良好的塑性、韧性和一定的强度，可选用Wc<0.25%的钢；承受冲击载荷和强度、塑性和韧度要求都较高的机械零件，选用Wc=0.25%~0.55%的钢；对于各种工模具，要求高硬度且耐磨，用Wc>0.55%的钢。

（三）金属加工工艺方面的应用
1、铸造工艺应用
选择液相线以上50℃~100℃。

铸造时流动性好、分散缩孔少，铸件组织致密。

2、锻压工艺应用
钢材坯料为单相的奥氏体组织，始锻时温度在固相线下100℃~200℃。

终端温度不能过低。

亚共析钢和共析钢，终端温度稍高于GS线；过共析钢控制在稍高于PSK线的温度范围内。

3、热处理工艺应用
根据Fe- Fe3C相图可知，固态铁碳合金在加热和冷却过程中均有相变；同时还知碳在奥氏体中的溶解度，随温度升高而增加。

所以可以通过加热、保温、冷却对刚和铸铁进行退火、正火、淬火、回火等热处理。

强调：Fe- Fe3C相图反映的是平衡条件下的相变、相组织、相成分和相对相的关系，对于实际生产中的相组织及其成分的相对关系，不能准确定量的反映。

但是，相对于实际生产有着重要的规律性和基础性的指导意义。

问题思考：
什么是铁碳合金相图，如何应用相图？。