第二章第三节纯铁的同素异构转变
例二．填写出纯铁在下列温度下的组织和晶体结构：
温度（℃）
组织名称
晶体结构
室温
1000
1450
【交流与讨论】金属晶体结构改变，它的性能会不会改变？
（教师可引导学生再次阅读例一、3和“材料史话”，得出结论）
一、同素异构转变：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。
【讲解】同素就是同种元素；
由同素异构转变所得到的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。
【板书】同素异构体的稳定性：
αβγδ
低温高温
二、纯铁的同素异构转变
（教师引导学生分析图2-8为纯铁的冷却曲线，师生共同概括出下式）
例一．下列说法不你认为对的打√，错的打×
教学时间
2014年3月28日
教学对象
13数控1班-2班
课时
1课时
教学课题：第三节纯铁的同素异构转变
教学目标：明确同素异构转变，掌握纯铁的同素异构转变。
教学重点：纯铁的同素异构转变。
教学难点：应用纯铁的同素异构转变分析问题。
教学准备：PPT
教学过程:【复习】1、纯金属结晶的特点是什么？请解释其原因。
2、金属结晶时，结晶出来的晶体大好还是小好？细化晶粒的方法有哪些？
教学反思：纯铁的同素异构转变现象具有极其重要的意义
1．在任何情况下，铁及其合金都是体心立方晶格。------------------------------()
2．纯铁在780℃时晶体结构为面心立方晶格的γ—Fe。-------------------------()
3．45钢从室温加热到1000℃时，硬度降低，塑性提高，可进行锻造。这是因为内部发生了
【讲解】不仅纯铁能够发生同素异构转变，而且铁碳合金——钢、铸铁同样能发生同素异构转变。正因为如此，生产中才有可能对钢和铸铁进行各种热处理来改变其组织和性能。可见纯铁的同素异构转变现象具有极其重要的意义。
【小结】学习内容
一、同素异构转变
二、纯铁的同素异构转变
学习重点：纯铁的同素异构转变
作业：书本42页练习
3、金属常见的晶格类型有哪三种？请描述具体的空间结构。
【新课导入】通过前面的学习，我们知道金属结晶后是晶体结构，每种金属都有它自己的晶格类型。如纯铁在1538℃，结晶出来的晶格类型是体心立方晶格的a－Fe。那么固体金属温度改变晶格类型会不会改变？请同学们阅读第三节第一段前两行内容。
【板书】第三节纯铁的同素异构转变
第二章 第三节 纯铁的同素异构转变
教学时间2014年3月28日教学对象13数控1班-2班课时1课时教学课题：第三节纯铁的同素异构转变教学目标：明确同素异构转变，掌握纯铁的同素异构转变。
教学重点：纯铁的同素异构转变。
教学难点：应用纯铁的同素异构转变分析问题。
教学准备：PPT教学过程:【复习】1、纯金属结晶的特点是什么？请解释其原因。
2、金属结晶时，结晶出来的晶体大好还是小好？细化晶粒的方法有哪些？3、金属常见的晶格类型有哪三种？请描述具体的空间结构。
【新课导入】通过前面的学习，我们知道金属结晶后是晶体结构，每种金属都有它自己的晶格类型。
如纯铁在1538℃，结晶出来的晶格类型是体心立方晶格的a－Fe 。
那么固体金属温度改变晶格类型会不会改变？请同学们阅读第三节第一段前两行内容。
【板书】第三节纯铁的同素异构转变一、同素异构转变：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。
【讲解】同素就是同种元素；由同素异构转变所得到的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。
【板书】同素异构体的稳定性：αβγδ低温高温二、纯铁的同素异构转变（教师引导学生分析图2-8为纯铁的冷却曲线，师生共同概括出下式）例一．下列说法不你认为对的打√，错的打×1．在任何情况下，铁及其合金都是体心立方晶格。
------------------------------( ) 2．纯铁在780℃时晶体结构为面心立方晶格的γ—Fe。
------------------------- ( ) 3．45钢从室温加热到1000℃时，硬度降低，塑性提高，可进行锻造。
这是因为内部发生了改变的缘故。
---------------------------------------------------------- ( )例二．填写出纯铁在下列温度下的组织和晶体结构：温度（℃）组织名称晶体结构。
铁碳合金相图知识点讲解
铁碳合金相图1、纯铁的同素异构转变许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格（金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心，如图a）。
钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格（八个原子分布在立方体的八个角上，一个原子处于立方体的中心，如图b所示）。
但有些金属在固态下存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等，这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。
金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。
图a 面心立方晶体图b 体心立方晶体图1是纯铁的冷却曲线。
液态纯钛在1538℃进行结晶，得到体心立方晶格的δ-Fe 。
继续冷却到1394℃发生同素异构转变，成为面心立方晶格γ-Fe。
在冷却到912℃又发生一次同素异构转变，成为体心立方晶格α-Fe。
正因为纯铁的这种同素异构转变，才使钢和铸铁通过热处理来改变其组织和性能成为可能。
图1 纯铁的冷却曲线纯铁的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循结晶的一般规律：有一定的平衡转变温度（相变点）；转变时需要过冷度；转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成。
但是这种转变是在固态下进行的，原子扩散比液态下困难，因此比液态金属结晶具有较大的过冷度。
另外，由于转变时晶格致密度的改变，将引起晶体体积的变化。
如：γ-Fe转变为α-Fe时，他可能引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件变形或开裂。
纯铁的磁性转变温度为770℃。
磁性转变不是相变，晶格不发生转变。
770℃以上无铁磁性，770℃以下有铁磁性。
2、铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，铁和碳是两个基本组元。
在固态下，铁和碳有两种结合方式：一是碳溶于铁中形成固溶体，二是铁与碳形成渗碳体，它们构成了铁碳合金的基本组成相。
（1）液相用”L”表示。
是铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体。
（2）铁素体用符号"F"（或“α”、“δ”）表示。
第二章(3)铁碳相图
匀晶相图 L+A
L
1148℃ C
共晶相图
D
L+ Fe3CⅠ F
G 共析相图
A
E A+ Fe3CⅡ
( A+Fe3C )
Ld
A+Ld+Fe3CⅡ P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’ ( P+Fe3C )
Ld+Fe3CⅠ
727℃ K Ld’+Fe3CⅠ
S A+F F P ( F+ Fe3C )
P
Q P+F
网状分布.
室温组织：P+Fe3CⅡ
含1.4%C钢的组织
过共析钢室温组织为P+ Fe3CⅡ
Fe3CⅡ量随含碳量而增加, 含 碳量为2.11%时, Fe3CⅡ量最大：
含1.4%C钢的组织
QFe C
3
II
2.11 0.77 100% 22.6% 6.69 0.77
室温下两相的相对重量 百分比：
含碳量对碳钢力学性能的影响
白口铸铁的力学性能特点
1600 温 1500 度 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 1538℃ 1394℃
δ - Fe
γ - Fe
912℃
α - Fe
δ- Fe
bcc
1394 ℃
γ- Fe
912 ℃
fcc
α- Fe
bcc
同素异构转变：金属在固态下由于温度的改变而发生晶 格类型转变的现象。 纯铁的居里温度：770℃ ＜ 770℃呈铁磁性，＞ 770℃磁性消失。 纯铁的力学性能： 塑性和韧性很好，但其强度很低，很少用作结构材料 。 纯铁的主要用途是利用它的铁磁性，例如各种仪器仪表 的
工程材料-详细介绍
铁碳合金的分类
–
–
工业纯铁 钢
亚共析钢 共析钢 过共析钢 亚共晶白口铁 共晶白口铁 过共晶白口铁
–
白口铁
典型铁碳合金的结晶过程
–
共析钢( Wc = 0.77% )
–
亚共析钢( Wc = 0.45% )
–
过共析钢( Wc = 1.2% )
–
共晶白口铁( Wc = 4.3% )
静拉伸试验 (Tensile test)
– –
–
测量材料抵抗缓慢增加的拉力作用时表现出来的性 能，包括弹性、刚度、强度以及塑性。 应力 (stress)：单位面积上试样承受的载荷，用试样 承受的载荷除以试样的原始横截面积表示，单位： 帕斯卡。 应变 (strain)：单位长度的伸长量，用试样的伸长量 除以试样的原始标距表示。
金属的热加工(hot working)
–
–
热加工的概念 热加工对金属组织和性能的影响
细化晶粒，改善机械性能 消除铸态组织缺陷 形成“锻造流线”
二元合金相图
合金的相结构
– –
基本概念
合金(alloy)、组元(component)、相(phase)
晶格结构与溶剂相同 间隙固溶体、置换固溶体 固溶体的溶解度 组元间以化合键结合，晶格类型与组元不同 熔点高、硬度高、脆性大
拉伸试验机 拉伸试验的颈缩现象
应力
应变
低碳钢的应力－应变曲线
弹性和刚度
– –
–
–
弹性 (Elasticity)：金属材料受外力作用时产生变形, 当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。 弹性变形：随载荷撤除而消失的变形。 刚度：材料抵抗弹性变形的能力。 弹性模量 (Young’s modulus)：弹性下应力与应变的 比值，表示材料抵抗弹性变形的能力。
第二章 铁碳合金 第三节 铁碳合金状态图
6.67％
1538℃
A
铁碳合金状态图 2
D
Y
A+Y Y +Fe3CⅠ
C F 1148℃ 912℃ G
A
A3
F+A
P S
E
Fe3C
Acm
A+Fe3CⅡ A+Fe3CⅡ+L’ L’ L’ +Fe3CⅠ
K
727℃
F
F+P
Q
C％ 0.218%
P
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+L’’
L’’
L’’ +Fe3CⅠ
2013-7-25
1-3 铁碳合金状态图
7
铁碳合金状态图的作用
铁碳合金状态图主要是用来分析铁碳合金的成 分、温度、组织三者之间的关系。
当含碳量增加时，铁素体的比例减少，珠光体比例
增大，故而碳钢的机械强度和硬度增大，塑性和韧 性降低； 当含碳量超过0.9%时，碳钢中C的含量增多，硬度 增加，强度、塑性、韧性均下降； 当温度一定时，控制了碳钢的含碳量就控制了碳钢 的组织和性能；碳钢的机械性能又决定了碳钢的用 途。
过共析钢结晶过程
液态金属冷却至点1时开始生成A晶核； 冷却至点2后，液体金属全部结晶为A； 冷却至点3后，在GS至PSK间随温度下降不 断析出Fe3CⅡ，同时剩余A中的含碳量沿ES 线不断减少而得到珠光体P。
2013-7-25
1-3 铁碳合金状态图
22
共晶生铁结晶过程
冷却至点1时发生共晶反应生成莱氏体Ld； 点1至点2间的莱氏体称为高温莱氏体L d ； 冷却至点3后则称为低温莱氏体L d’。
铁碳合金相图解析
b
14
三、过共析钢的结晶过程分析
图1-36 过共析钢结晶过程示意图
图1-37 过亚 共析钢的显 微组织
b
15
四、共晶白口铸铁的结晶过程分析
图1-38 共晶白口铸铁结晶过程示意图
图 1-39 共 晶 白 口 铸铁的显微组织
b
16
五、亚共晶白口铸铁的结晶过程分析
图1-40 亚共晶白口铸铁结晶过程示意图
b
5
知识点二 Fe- Fe3C相图分析
b
6
图1-30 Fe- Fe3C相图
简化的Fe- Fe3C相图
b
7
1、主要特性点
表1-4简化Fe- Fe3C相图中的特性点
特性点 符号
A
温度/℃ ωc（%）
1538
0
含义 熔点：纯铁的熔点
C
1148
4.3 共晶点：发生共晶转变L4.3—→Ld(A2.11%+Fe3C共晶)
四个单相区。
（2）两相区 简化的Fe- Fe3C相图中有五个两相区，即
L+A两相区、L+Fe3C两相区、A+Fe3C两相区、A+F两相
区和F+ Fe3C两相区。
每个两相区都与相应的两个单相区相邻；两条三相共存线，
即共晶线ECF，L、A和Fe3C三相共存，共析线PSK，A、F
和Fe3C三相共存。
b
10
图1-46 铁碳相图与铸锻 工艺间的关系
b
22
3、在锻压生产上的应用
钢在室温时组织为两相混合物，塑性较差，变形困难。而奥氏体的强 度较低，塑性较好，便于塑性变形。因此在进行锻压和热轧加工时， 要把坯料加热到奥氏体状态。加热温度不宜过高，以免钢材氧化烧损 严重，但变形的终止温度也不宜过低，过低的温度除了增加能量的消 耗和设备的负担外，还会因塑性的降低而导致开裂。所以，各种碳钢 较合适的锻轧加热温度范围是：始锻轧温度为固相线以下100~200℃； 终锻轧温度为750~850℃。对过共析钢，则选择在PSK线以上某一温 度，以便打碎网状二次渗碳体。
纯铁同素异构转变过程
纯铁同素异构转变过程
小朋友们，今天我们来了解一个特别神奇的事情——纯铁的同素异构转变过程！
你们知道吗，纯铁可不是一直都保持着一个样子哦！在不同的温度下，纯铁会发生奇妙的变化，就好像变魔术一样。
首先呢，当纯铁被加热到1538℃的时候，它会从一种叫做“体心立方晶格”的结构变成另一种叫做“面心立方晶格”的结构。
这个过程就像是纯铁给自己换了一套新衣服一样。
这种从体心立方晶格到面心立方晶格的转变，我们把它叫做γ-Fe（伽马铁）。
接下来，当温度继续升高到1394℃的时候，神奇的事情又发生了！纯铁会从面心立方晶格的γ-Fe 变回体心立方晶格，不过这个体心立方晶格和最开始的那个有点不一样哦，我们把这个新的体心立方晶格叫做δ-Fe（德尔塔铁）。
然后呢，当温度慢慢降低的时候，纯铁又会开始变化啦！当温度降到912℃的时候，纯铁会从γ-Fe 再次变成体心立方晶格，不过这次的体心立方晶格和之前1538℃时变成的那
个是一样的，我们把这个叫做α-Fe（阿尔法铁）。
纯铁的同素异构转变过程是不是很有趣呢？就好像纯铁在不同的温度下，会换上不同的“衣服”，展现出不同的样子。
这个过程对于我们的生活也很重要呢！比如说，在制造钢铁的时候，人们就会利用纯铁的这种同素异构转变特性，来调整钢铁的性能，让钢铁变得更加坚固、耐用。
小朋友们，现在你们是不是对纯铁的同素异构转变过程有了一些了解呢？希望你们以后也能像科学家一样，去发现更多神奇的事情！。
铁的同素异形体 δ相
由于面心比体心排列紧密,所以由前者转化为后者时,体积要膨胀.纯铁在室温下是体心立方结构，称为α-Fe。
将纯铁加热，当温度到达912℃时，由α-Fe 转变为γ-Fe，γ-Fe是面心立方结构。
继续升高温度，到达1390℃时，γ-Fe转变为δ-Fe，它的结构与α-Fe一样，是体心立方结构。
纯铁随着温度增加，由一种结构转变为另一种结构，这种现象称为同素异构转变。
δ相：高温铁素体，由液态铁冷却到1538摄氏度发生结晶，液态铁转变为δ-Fe，C在δ-Fe中的最大溶解度为0.17%。
δ铁素体作为高温铁素体，在常温下相对少见，但在一些不锈钢中，仍然由δ铁素体保留到常温下。
但由于δ铁素体较脆，在加工中易引发裂纹，并且容易引发点腐蚀，所以一般都是作为有害相加以控制的。
所谓调质钢，一般是指含碳量在0.3-0.6%的中碳钢。
一般用这类钢制作的零件要求具有很好的综合机械性能，即在保持较高的强度的同时又具有很好的塑性和韧性，人们往往使用调制处理来达到这个目的，所以人们习惯上就把这一类钢称作调质钢。
各类机器上的结构零件大量采用调质钢，是结构钢中使用最广泛的一类钢。
淬火成马氏体后在500~650℃之间温度范围内回火的调质处理用钢。
经调质处理后，钢的强度、塑性及韧性有良好的配合。
调质钢的成分是含碳0.25%～0.5%碳素钢或低合金钢和中合金钢，调质处理后的金相组织是回火索氏体。
各类机器上的结构零件大量采用调质钢，是结构钢中使用最广泛的一类钢。
应用最广的调质钢有铬系调质钢(如40Cr、40CrSi)、铬锰系调质钢(如40CrMn)、铬镍系调质钢(如40CrNiMo、37CrNi3A)、含硼调质钢等。
钢经正火或等温转变所得到的铁素体与渗碳体的机械混合物。
索氏体组织属于珠光体类型的组织，但其组织比珠光体组织细。
索氏体具有良好的综合机械性能。
将淬火钢在450-600℃进行回火，所得到的索氏体称为回火索氏体（tempered sorbite）。
铁碳相图
铁碳合金第一节 铁碳合金基本知识一、纯铁的同素异构转变自然界中大多数金属结晶后晶格类型都不再变化，但少数金属，如铁、锰、钴等，结晶后随着温度或压力的变化，晶格会有所不同，金属这种在固态下晶格类型随温度（或压力）变化的特性为同素异构转变。
如图3-1所示。
纯铁的同素异构转变可概括如下：1538C 1394912()Fe C C Fe Fe Fe δγα︒︒︒−−−→−−−→−−−→---←−−−←−−−←−−−液态 α-Fe 和δ-Fe 都是体心立方晶格，γ-Fe 为面心立方晶格。
纯铁具有同素异构转变的特征，是钢铁材料能够通过热处理改善性能的重要依据。
纯铁在发生同素异构转变时，由于晶格结构变化，体积也随之改变，这是加工过程中产生内应力的主要原因。
二、铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，由于铁和碳的交互作用，可形成下列五种基本组织：1、铁素体（F ）铁素体是碳溶解在α-Fe 中形成的间隙固溶体，它仍保持α-Fe 的体心立方晶格结构。
由于α-Fe 晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727℃），所以是几乎不含碳的纯铁。
铁素体由于溶量小，力学性能与纯铁相似，即塑性和冲击韧度较好，而强度、硬度较低。
2180280MPa HBS=5080 =3050% 128160J/cmb KU a σδ==显微镜下观察，铁素体呈灰色并有明显大小不一的颗粒形状。
2、奥氏体（A ）奥氏体是碳溶解在γ-Fe 中形成的间隙固溶体。
它保持γ-Fe 的面心立方晶格结构。
因其晶格间隙较大，所以溶碳能力比铁素体强，在727℃时溶碳量为0.77%，1148℃时溶碳量达到2.11%。
奥氏体的强度、硬度较低，但具有良好的塑性，是绝大多数钢高温进行压力加工的理想组织。
400MPa;HBS=160200;=4050%b σδ≈由于γ-Fe 一般存在于727～1394℃之间，所以奥氏体也只出现在高温区域内。
显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。
铁碳合金相图
Fe-Fe3C相图的总结 PQ线也是固溶线。它是铁素体中碳的溶解度随温 度变化的曲线。当温度降到此线,铁素体中多余 的线也以渗碳体形式析出。从铁素体中析出的 渗碳体称为三次渗碳体。记为Fe3CⅢ. GS线是奥氏体向铁素体转变的开始线，也是铁素 向奥氏体转变的终了线。代号为A3。 GP线是奥氏体向铁素体转变的终了线 , 也是铁素 向奥氏体转变的开始线。 实际上相图中的这些线都是各个化学成分的合金 随温度变化发生各种相转变的温度点 ( 相变点 ) 的分类集合。
第 二 节 铁碳合金相图
铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为纯组元看待。 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已 无实用价值。 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
一、Fe - Fe3C 相图的建立 1.配制不同成分的铁碳合金，加热后缓慢地冷却， 记录数据，绘制它们的冷却曲线（时间、温度）；
观察纯铁的冷却曲线及晶体结构变化：
无铁磁性
770 铁磁性
观察纯铁的冷却曲线及晶体结构变化：
δ - Fe
1394 °C
γ - Fe
912 °C
α - Fe
所谓同素异构转变，是指金属在结晶成固态 之后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而发 生变化的现象，也称同素异构转变，又称重结晶。
关于纯铁冷却曲线的总结 1538℃平台是铁的结晶温度。结晶后是体心立方晶格Fe。 1394℃平台是Fe在固态下第一次同素异晶转变。转变为面心立方的Fe。
1）铁素体
定义：碳溶于a-Fe中形成的间隙固溶体,以F或α 表示；
结构：体心立方结构。 成分：铁素体的溶碳能力很低，室温时溶解度Wc≤0.0008％≈0，最大溶解度在 727℃，Wc≈0.0218％。