铁碳合金教案.docx

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铁碳合金教案

第三章铁碳合金

§3－1合金及其组织

教学过程

一、复习提问：

金属的概念、常用金属

二、新课教学：

合金的基本概念

合金的组织

三、课后小结：

比较各类合金组织

四、作业安排：

练习册P10，一、1-5；二、1-3；三、1-3

五、板书设计（见下页）：

六、教学后记：

第三章铁碳合金

合金组成：

金属+金属，金属+非金属；（metal+nonmetal）

元素比例：

可以调整，得到不同性能；

性能：

物理、化学、力学、工艺、热处理性能。

§3－1合金及其组织

1、组元：

组成合金的最基本的独立物质，按组成元素的种类分为二元合金、三元合金和多元合金。

例：

碳素钢由Fe、C、Si、Mn、S、P组成，称铁碳合金,多元合金；；

黄铜由Cu、Zn组成，称二元合金；

铝由Al、Cu、Mg组成，称三元合金。

2、相：

合金中成分、结构及性能相同的组成部分为相，相与相之间以界面分开，固态相有统一的晶格类型，是组元间的关系。

3、组织：

数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金组织，是相之间的关系。

组织不同,性能不同。

液相:

无晶格

单相组织固溶体

固相

单晶格金属化合物

多相组织：

混合物

（多种晶格）

单相组织：

一种晶格

单晶体：

一个晶粒

一、合金的基本概念

1、液相组织：

液态时，合金的组元相互溶解，形成均匀的液溶体。

2、固相组织：

固态时，由于合金各组元之间相互作用不同，原子结合力不同，可出现固溶体、金属化合物、机械混合物。

二、合金的组织

1、固溶体

定义：

一种组元溶入另一组元的晶格中形成的均匀固相。

属性：

单相组织，显微镜下可观察到晶界。

溶剂：

基体组元，保持自身晶格类型，溶解其它组元。

溶质：

溶入溶剂的组元，自身晶格消失。

例如：

铁碳合金中铁为溶剂，碳为溶质。

分类：

间隙固溶体（有限）

按溶质与溶剂原子相对位置分：

置换固溶体（无限）

有限固溶体

按溶解度分：

无限固溶体

间隙固溶体—溶质原子分布于溶剂晶格中而形成的固溶体。

由于溶剂晶格的间隙尺寸很小，故溶质原子半径小于1埃，且形成有限固溶体。

例如：

铁碳合金。

置换固溶体—溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。

溶质与溶剂的原子半径差别小、晶格类型相同、电子结构相似、元素周期表中位置近，则形成无限固溶体。

反之，形成有限固溶体。

例如：

黄铜是锌溶入铜形成的置换固溶体。

固溶体性能：

固溶强化

在固溶体中，由于溶质原子的溶入，使溶剂晶格畸变，合金对塑性变形的抗力增加，使金属材料强度、硬度升高，此现象为固溶强化。

表3-1小结：

强化金属材料的方法：

名称

形变强化

固溶强化

相变强化

原因

空位、间隙原子、置换原子；

位错、晶界、亚晶界。

溶入合金元素，

形成固溶体

细化晶粒

热处理

结果

晶格畸变

溶剂晶格畸变

晶粒、晶界↑

晶格改变

变形抗力↑

变形抗力变化

2、金属化合物

定义-在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，除可形成固溶体外，还将出现新的相，其晶体结构不同于任一组元，而是组元之间相互作用形成一种具有金属特性的物质。

属性：

单相组织，显微镜下可观察到晶界。

晶格：

金属化合物的晶格不同于任一组元，一般具有复杂晶格。

性能：

熔点高，硬度高，脆性大，耐磨性高。

3、混合物

定义：

两种或两种以上的相按一定质量百分比组成的物质为混合物。

属性：

多相组织，显微镜下可观察到多种相。

晶格：

各相保持自身原来晶格。

性能：

取决于各组成相的大小、形态和分布。

三、比较各类合金组织：

表3-2

项目

固溶体

金属化合物

混合物

晶格

保持溶剂晶格

不同于任一组元

各相保持自身晶格

性能

固溶强化

熔点高，硬度高，脆性大，耐磨性好

与各相大小形态、分布有关

举例

A，F

P，Ld，L'd

§3－2铁碳合金的基本组织与性能

教学过程

一、复习提问：

合金的基本概念

合金的组织

二、新课教学：

铁素体（F）

奥氏体（A）

渗碳体（Fe3C或Cm）

珠光体（P）

莱氏体（Ld）

三、课堂练习：

铁碳合金的基本组织与性能比较

四、作业安排：

练习册P10，一、6-10；二、4-6；三、4-6

五、板书设计（见下页）：

六、教学后记：

§3－2铁碳合金的基本组织与性能

铁碳合金：

以Fe、C为主要合金元素，S、P、Si、Mn为次要合金元素，由于成分不同，形成不同固溶体、金属化合物或混合物，对外表现不同性能。

一、铁素体（F）

1、定义：

碳溶于α-Fe形成的间隙固溶体。

2、符号：

F（ferrite）

3、组织类型：

单相组织

4、晶格类型：

体心立方晶格（有畸变）

5、显微组织：

可观察到晶粒间的晶界，

6、存在温度：

＜912℃

7、溶碳量：

0～0.0218%

8、性能：

与纯铁相似，具有良好的塑性和韧性，强度和硬度较低。

二、奥氏体（A）

1、定义：

碳溶于γ-Fe形成的间隙固溶体

2、符号：

A（austenitic）

3、组织类型：

单相组织

4、晶格类型：

面心立方晶格

5、显微组织：

可观察到晶粒间的晶界，

6、存在温度：

727～1394℃（杂质多，熔点低）

7、溶碳量：

727℃时溶碳0.77%,1148℃时，溶碳2.11%

8、性能：

强度和硬度不高，具有良好的塑性，是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制所要求的组织。

三、渗碳体（Fe3C或Cm）

1、定义：

含碳量为6.69%的铁和碳的金属化合物

2、符号：

Cm（cementite）Fe3C

3、组织类型：

单相组织

4、晶格类型：

复杂斜方晶体

5、显微组织：

一次渗碳体：

由金属液中结晶出来，温度＜1227℃，呈板条状。

二次渗碳体：

由A中析出，温度＜1148℃，呈网状,Rm↓。

共晶渗碳体：

金属液发生共晶反应的产物，呈白色基体。

6、存在温度：

＜1227℃

7、溶碳量：

6.69%

8、性能：

硬度高，脆性大，塑性差，A、Z几乎为零，是脆硬相。

9、转变：

渗碳体在适当条件下（高温停留或缓慢冷却），可分解为铁和石墨

Fe3C3Fe+C（石墨）

白口铸铁：

碳以渗碳体的形式存在，切口为白亮色，作为炼钢原料。

灰口铸铁：

碳以石墨的形式存在，切口为灰暗色，作为铸件原料。

四、珠光体（P）

1、定义：

F与Cm混合物,是含碳量为0.77%的铁碳合金在727℃时的共析产物。

2、符号：

P（pearlite）

3、组织类型：

多相组织

4、晶格类型：

体心立方晶格+复杂斜方晶格

5、显微组织：

F与Cm片层相间、交替排列，

6、存在温度：

＜727℃

7、溶碳量：

0.77%

8、性能：

取决于F与Cm平均值，强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。

五、莱氏体（Ld）

1、定义：

A与Cm混合物,是含碳量为4.3%的铁碳合金在1148℃时的共晶产物。

2、符号：

Ld（ledeburite）

3、组织类型：

多相组织

4、晶格类型：

面心立方晶格+复杂斜方晶格

5、显微组织：

白色渗碳体基体上分布点条状奥氏体，

6、存在温度：

727～1148℃

7、溶碳量：

4.3%8、性能：

与渗碳体相似，硬度高，塑性差。

六、低温莱氏体—室温下的莱氏体，由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld表示。

1、定义：

P与Cm混合物，是含碳量为4.3%的铁碳合金在727℃时的共析产物。

2、符号：

L’d

3、组织类型：

多相组织

4、晶格类型：

体心立方晶格+复杂斜方晶格

5、显微组织：

白色渗碳体基体上分布点条状珠光体

6、存在温度：

＜727℃

7、溶碳量：

4.3%

8、性能：

与渗碳体相似，硬度高，塑性差。

表3-3

组织

代号

组织形式

含碳量%

存在温度

力学性能

晶格类型

基

本

相

铁素体

固溶体

0～0.0218

＜912℃

强度硬度低

塑性韧性好

体心（畸变）

奥氏体

固溶体

0.77～2.11

727～1394

强度硬度不高

塑性好

面心（畸变）

渗碳体

金属化合物

6.69

＜1227

硬而脆

复杂斜方

基

本

组

织

珠光体

混

合

物

F+Cm

0.77

＜727

强度高,硬度

适中,一定塑性

体心+

复杂斜方

莱氏体

A+Cm

4.3

727～1148

硬而脆

面心+复杂斜方

低温

莱氏体

L’d

P+Cm

4.3

＜727

体心+

复杂斜方

§3－3铁碳合金相图

教学过程

一、复习提问：

铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体组织与性能

二、新课教学：

铁碳合金相图的组成

Fe－Fe3C相图中特性点、线的含义及各区域内的组织

铁碳合金的分类

铁碳合金的成分、组织与性能的关系

Fe－Fe3C相图的应用

三、课堂练习：

铁碳合金相图分析

四、作业安排：

练习册P10，一、11-15；二、7-13；三、7-14

五、板书设计（见下页）：

六、教学后记：

§3－3铁碳合金相图

一、铁碳合金相图的组成

1、铁碳合金相图的组成：

图3-1铁碳合金相图

2、定义：

铁碳合金在缓慢冷却（缓慢加热）条件下，不同成份的合金状态或组织随温度变化的图形。

3、研究对象：

C＜5%，含碳量太高，脆性大，无实用价值。

4、相图建立方法：

热分析法。

5、相图建立步骤：

配制不同成份的合金；

利用热分析法画出各合金的冷却曲线；

在冷却曲线上找出相应的临界点；

连接相同意义的临界点。

6、简化：

把实际相图中繁琐、应用少的左上角部分和左下角部分予以省略（横坐标为含碳量，纵坐标为温度）。

在铁碳合金中，铁和碳可以形成一系列的化合物，

如Fe3C、Fe2C、FeC等。

二、Fe－Fe3C相图中特性点、线的含义及各区域内的组织

crystallize

separateout

图3-2

1、主要特性点：

表3-4

点

含碳量%

温度℃

意义

1538

纯铁的熔点，纯铁的理论结晶温度

4.3

1148

共晶点，LC（A+Fe3C）

6.69

1227

渗碳体的熔点，渗碳体的理论结晶温度

2.11

1148

碳在γ-Fe中最大溶解度，A中最大溶碳量

912

纯铁同素异构转变点：

α-Feγ-Fe

0.77

727

共析点，AS（F+Fe3C）

注：

共晶反应与共析反应的区别与联系

项目

共同点

不同点

共晶反应

产物为两固相

反应原料为液态合金，温度相对较高（1148℃）

共析反应

反应原料为固态合金，温度相对较低（727℃）

2、主要特性线：

表3-5

线

名称

意义

ACD

液相线

铁碳合金开始结晶温度连线,先结晶出A或Cm,线上为液相

AECF

固相线

铁碳合金结束结晶温度连线,线下为固相

A3线

冷却时,从不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的开始线

Acm

碳在γ-Fe中溶解度线,或称碳在A中固溶线

ECF

共晶线

含碳量为4.3%的液态合金在1148℃时发生共晶转变点连线

PSK

共析线

A1线，含碳量为0.77%A在727℃时发生共析转变点连线

共晶转变:

一定成分的液态合金，在某恒温下，同时结晶出两固相，LS1+S2。

共析转变：

一定成分的固溶体，在某恒温下，同时析出两固相，S1S2+S3

3、面:

表3-6

面

名称

组织类型

晶格类型

ACD以上

液相面

高温液态铁碳合金

无晶体

AEC面

液固共存面

L+A

面心立方

CDF面

液固共存面

L+Cm

复杂斜方

AGSE面

单相A面

面心立方

GPS面

A→F面

A+F

室温时为P+F

A1线以上，

ECF线以下

C（0.77～2.11%）

C（2.11～4.3%）

C（4.3～6.69%）

A+CmII

A+CmII+Ld

CmI+Ld

A1线以下

P+CmII

P+CmII+L’d

CmI+L’d

4、单相区：

液相区L，奥氏体区A，渗碳体区Cm，铁素体区F。

三、铁碳合金的分类

纯铁—含碳量小于0.0218%的铁碳合金。

钢steel—含碳量大于0.0218%而小于2.11%的铁碳合金。

铸铁iron—含碳量大于2.11%的铁碳合金

亚共析钢：

0.0218＜C＜0.77%

钢共析钢:

C=0.77%

过共析钢:

0.77＜C＜2.11%

亚共晶白口铸铁:

2.11＜C＜4.3%

白口铸铁共晶白口铸铁:

C=4.3%

过共晶白口铸铁:

4.3＜C＜6.69%

工业纯铁:

C＜0.0218%

工业用钢:

C＜1.4%

工业用铁:

C＜4%

四、铁碳合金的成分、组织与性能的关系

1、随含碳量的增大，铁碳合金室温组织按以下顺序变化：

HBS

F→F+P→P→P+CmII→P+CmII+L’d→L’d→CmI+L’dσb

2、室温组织本质：

F+Cm，二者相对量随含碳量变化而变化

（利用相图说明）。

δψak

图3-3铁碳合金室温组织变化图

3、C%↑，硬度增大；0.8C%

C%↑，强度增大，但C﹥0.8%时，由于网状Cm出现，强度略有下降。

C%↑，A↓、Z↓、ak↓。

为保证工业用钢具有足够的强度和一定的塑性，钢中含碳量＜1.4%。

随含碳量的不同，其组织顺序：

F→F+P→P→P+Fe3C→P+Fe3C+Fe3CⅠ

含碳量越高，钢的强度、硬度越高，而塑性、韧性越低，这在钢经过热处理后表现尤为明显。

思考题:

1、为什么液相线以下先结晶出A或Cm，而不是F？

2、含碳量＜4.3%，温度＜727℃时，有没有A和Cm。

3、共晶反应生成的A中含C量为多少？

共析反应中A的含C量是多少？

4、含碳量为3%的铁碳合金，在1148℃时，A中C的量是多少？

5、含碳量为4%的铁碳合金，在1148℃时，A中C的量是多少？

表3-7

项目名称

亚共析钢

共析钢

过共析钢

亚共晶

白口铸铁

共晶

白口铸铁

过共晶

白口铸铁

含碳量%

0.0218～

0.77

0.77～2.11

2.11～4.3

4.3

4.3～6.69

共析反应

√

共晶反应

√

先结晶组织

A+Cm

CmI

室温组织

P+F

P+CmII

P+CmII+L’d

L’d

CmI+L’d

五、Fe－Fe3C相图的应用

1、作为选材的依据

（1）要求塑性、韧性好，强度不太高的构件，选低碳钢；

（2）要求强度、塑性、韧性等综合性能较好的构件,选中碳钢;

（3）各种工具、刀具、量具、模具等，要求硬度高及耐磨性好，选高碳钢。

2、在铸造生产中的应用

在铸造生产上，根据相图找出不同成分的铁碳合金熔点，从而确定合理的熔化和浇注温度。

例如：

钢的熔化和浇注温度比铸铁高；共晶成分的铁碳合金熔点低、凝固温度区间小，铸造性能较好。

3、在锻造工艺上的应用

在锻造工艺上，钢加热温度在1000～1250℃时，处于单相奥氏体，强度低、塑性好，是优良的锻、轧组织。

选择原则：

开始轧制或锻造的温度不可过高，以免钢材氧化严重、晶粒粗大或奥氏体晶界熔化，造成工件报废。

终止温度不可过低，以免出现Cm脆硬相，使钢材塑性差，锻造过程出现裂纹。

4、在热处理工艺上的应用

可根据铁碳合金相图，设计合理的加热温度、保温时间、冷却速度。

根据铁碳合金相图填表：

表3-8

含碳量%

温度℃

显微组织

温度℃

显微组织

0．25

800

A+F

900

0．77

700

800

1．20

700

P+CmII

800

A+CmII

§3－4碳素钢

教学过程

一、复习提问：

铁碳合金相图的组成

Fe－Fe3C相图中特性点、线的含义及各区域内的组织

铁碳合金的分类

铁碳合金的成分、组织与性能的关系

Fe－Fe3C相图的应用

二、新课教学：

钢中常存元素及其对性能的影响

碳素钢的分类

碳素钢牌号及用途

三、课堂练习：

碳素钢牌号识读

四、作业安排：

练习册P10，一、16-20；二、14-20；三、15-20

五、板书设计（见下页）：

六、教学后记：

§3－4碳素钢

1、碳素钢—简称碳钢，是最基本的铁碳合金。

它是指在冶炼时没有特意加入合金元素，且含碳量大于0.0218%而小于2.11%的铁碳合金。

2、碳素钢的特点：

良好的力学性能和工艺性能，冶炼方便，价格便宜，应用广泛。

3、合金钢：

在碳钢的基础上，为改善钢的性能，冶炼时有目的加入一种或几种合金元素的钢。

4、合金钢特点：

可以得到所需的力学性能、化学性能、物理性能、工艺性能（加入元素Cr、Ni、W、V）。

主要元素：

Fe、C

有益元素：

Si、Mn

钢中元素：

有害元素：

S、P

氧化物：

FeO、MnO

非金属夹杂物：

硫化物：

MnS、FeS

硅酸盐

铁矿石：

Fe3O4,Fe2O3,MgO,CaO,SiO2,Al2O3

焦炭：

提供CO和热量

熔剂CaCO3：

与SiO2,Al2O3反应，生成熔点低、流动性好的炉渣，浮在铁水表面。

生铁：

CO使铁矿石中的铁等元素还原出来（Fe2O3+3CO--2Fe+3CO2↑）。

钢：

用氧化方法去除生铁中的杂质。

（2FeO+Si--SiO2+2Fe+Q）

脱氧：

炼钢后期用硅铁、锰铁去除氧的过程（FeO+C—Fe+CO↑）。

还原氧化脱氧

铁矿石—→生铁—→钢—→（Z，TZ，F，b）

煤气

炉渣

表3-9

常存元素

性质

来源

存在形式

作用

锰

（0.25-0.8%）

（0.7-1.2%）

铁矿石、锰铁

溶于F成固溶体

溶于Cm面金属化合物

固溶强化

形成MnS减轻热脆

硅

（0.17-0.37%）

有益元素

铁矿石、硅铁

溶于F成固溶体

固溶强化

硫

（＜0.05%）

有害元素

铁矿石、生铁

（Fe+FeS）共晶体

熔点985℃

锻造轧制时开裂

磷

（＜0.045%）

生成Fe3P金属化合物

室温下脆性大

（冷脆）

氢

氢原子进入金属后晶格应变增大，降低韧性及延性

氢脆,白点

非金属夹杂物：

1、形式：

氧化物—FeO、Fe3O4、MnO、SiO2、Al2O3;

硫化物—MnS、FeS；硅酸盐。

2、来源：

炼钢反应产生而未排除在钢液上的；或从炉渣、炉体、铸锭设备等耐火材料中带入。

3、作用：

降低钢的强度、塑性。

4、期望值：

越小越好。

一、钢中常存元素及其对性能的影响

锰—有益元素，有很好的脱氧能力，还可与硫形成MnS，从而消除了硫的有害作用。

硅—有益元素，脱氧能力比锰强，还能提高钢的强度及质量，硅作为杂质一般应不超过0.4%。

硫—有害元素，常以FeS形式存在，易使钢材变脆（热脆性）。

磷—有害元素，它使钢在低温时变脆（冷脆性）。

氢—有害元素，能造成氢脆、白点等缺陷。

二、碳素钢的分类

1、按钢的含碳量分

低碳钢：

C≤0.25％

中碳钢：

C＝0.25％～0.60％

高碳钢：

C≥0.60％

2、按钢的质量分

普通钢：

S≤0.050％，P≤0.045％

优质钢：

S≤0.035％，P≤0.035％

高级优质钢：

S≤0.025％，P≤0.025％

3、按钢的用途分

结构钢：

含碳量一般均小于0.70%

工具钢：

含碳量一般均大于0.70%

4、按冶炼时脱氧程度的不同分

沸腾钢：

脱氧程度不完全的钢

镇静钢：

脱氧程度完全的钢

半镇静钢：

脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间的钢

表3-10

分类

镇静钢

沸腾钢

半镇静钢

脱氧程度

完全，

无CO生成

液面平静

不完全，

有大量CO，

液面似沸腾

表面质量

一般，有缩孔

偏析轻

好，无缩孔

偏析严重

力学性能

ak↑

ak↓

表示方法

Z，TZ

5、按室温组织分类（按相图中与共析点相对位置分类）：

亚共析钢：

处于共析点以左，室温组织为P+F。

共析钢：

处于共析点，室温组织为P。

过共析钢：

处于共析点以右，室温组织为P+Cm。

三、碳素钢牌号及用途

化学元素符号＋汉语拼音字母＋阿拉伯数字

1、（普通）碳素结构钢Q+屈服点+质量等级符号+脱氧方法

（1）屈服强度字母Q

（2）屈服强度数值

（3）质量等级符号：

A、B、C、D级，从A到D依次提高。

（4）脱氧方法符号：

F－沸腾钢

b－半镇静钢

Z－镇静钢

TZ－特殊镇静钢

（Z与TZ符号在钢号组成表示方法中予以省略）

（5）性能：

工艺性好，冶炼容易，价格便宜，产量大。

（6）用途：

结构件、普通零件、制成型材（圆钢、方钢、扁钢、角钢、槽钢、工字钢、钢筋）。

（7）举例：

Q235A·F—普通碳素结构钢，屈服点为235MPa，A级质量，沸腾钢。

（8）规律：

牌号越大，Rel↑，Rm↑，HB↑，A↓，Z↓，ak↓。

2、优质碳素结构钢

（1）性能：

出厂时既保证化学成份，又保证力学性能，S、P量＜0.035%。

性能好，使用前经热处理改善力学性能。

（2）用途：

用于重要零件，如齿轮、轴、弹簧、容器等。

（3）牌号：

两位数字+其他符号。

两位数字表示平含碳量的的万分数。

其他符号：

如果是普通含锰量钢0.035＜Mn＜0.80%，不用表示；

如果是较高含锰量钢0.7＜Mn＜1.2%，在牌号后加Mn；

如果是沸腾钢，加F；如果是锅炉钢，加g。

举例：

20—优质碳素结构钢，平均含碳量为0.20%，镇静钢。

50Mn—优质碳素结构钢，平均含碳量为0.50%，镇静钢,含锰量较高,0.7＜Mn＜1.2%。

20g—优质碳素结构钢，平均含碳量为0.20%，镇静钢，锅炉用钢。

（4）规律：

牌号越大，Rel↑，Rm↑，HB↑，A↓，z↓，ak↓。

牌号数相同，多Mn,Rel↑，Rm↑，HB↑，A↓，Z不变，ak不变。

（这也是合金钢的思想，既提高Rm又保持Z和ak）

表3-11

牌号

焊接性

σb

HBS

切削性

耐磨性

弹性

热处理

及组织

应用

08-25

良

↓

差

良

↓

差

良

↓

差

低

差

良

差

↑

良

差

正火、退火

P，S

冲压、焊接、渗碳

30-55

调质

M回

受力大、重要，热模具

60以上

↑

高

↑

高

↑

良

淬火+中回

（S回）

耐磨、弹性件

3、碳素工具钢

（1）性能：

S、P量＜0.035%，C＞0.7%，属于优质或高级优质钢。

（2）

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