习题讲解_IV(铁碳合金相图)

第三章 铁碳合金相图非合金钢[（GB ／T 13304-91），将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。

了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。

本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。

铁与碳可以形成一系列化合物：C Fe 3、C Fe 2、FeC 等。

C Fe 3的含碳量为6.69％，铁碳合金含碳量超过6.69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是Fe -C Fe 3相图。

相图的两个组元是Fe 和C Fe 3。

3.1 Fe -C Fe 3系合金的组元与基本相3.l.l 组元⑴纯铁 Fe 是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为2/m kg 3107.87⨯。

纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变），即： δ-Fe （体心）γ-Fe （面心）α-Fe （体心） 工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度b σ=180～230MPa ，屈服强度2.0σ＝100～170MPa ，伸长率=δ30～50％，硬度为50～80HBS 。

可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。

⑵C Fe 3 C Fe 3是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号Cm 表示。

C Fe 3具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV ，抗拉强度b σ=30MPa ，伸长率0=δ。

3.1.2 基本相Fe -C Fe 3相图中除了高温时存在的液相L ，和化合物相C Fe 3外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相：⑴高温铁素体 碳溶于δ-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。

⑵铁素体 碳溶于α-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F 表示。

F 中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218％，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。

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。

第三章 铁碳合金相图非合金钢[（GB ／T 13304-91），将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。

了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。

本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。

铁与碳可以形成一系列化合物：C Fe 3、C Fe 2、FeC 等。

C Fe 3的含碳量为6.69％，铁碳合金含碳量超过6.69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是Fe -C Fe 3相图。

相图的两个组元是Fe 和C Fe 3。

3.1 Fe -C Fe 3系合金的组元与基本相3.l.l 组元⑴纯铁 Fe 是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为2/m kg 3107.87⨯。

纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变），即：δ-Fe （体心）γ-Fe （面心）α-Fe （体心） 工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度b σ=180～230MPa ，屈服强度2.0σ＝100～170MPa ，伸长率=δ30～50％，硬度为50～80HBS 。

可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。

⑵C Fe 3 C Fe 3是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号Cm 表示。

C Fe 3具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV ，抗拉强度b σ=30MPa ，伸长率0=δ。

3.1.2 基本相Fe -C Fe 3相图中除了高温时存在的液相L ，和化合物相C Fe 3外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相：⑴高温铁素体 碳溶于δ-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。

⑵铁素体 碳溶于α-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F 表示。

F 中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218％，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。

习题与思考题剖析【例题】用铅锑合金制成的轴瓦，要求其组织为在共晶体上分布有5%Sb 作硬质点，试求该合金的成分及硬度（已知条件：纯铅的硬度为3HBS ，纯锑的硬度约为30HBS ）。

1. 分析Pb-Sb 二元合金相图如题图1所示。

由题意可知，在共晶体基体上分布有5%Sb 作硬质点，即指该合金的组织为95%的共晶体组织+5%Sb 硬质点所组成，那么即可判断该合金一定是过共晶成分。

那么，如何利用杠杆定律求出该合金组织的相对百分含量呢？由于杠杆定律仅适用于两相区，那么必须使所求的组织与相应的两相区相对应。

由题图1所示的相图可以看出，只有影线所示的两相区中的两相才有可能与所求的组织近似对应，即共晶体与液相对应（因为，在共晶线上一定成分的液相全部转变为共晶体组织），硬质点与先共晶相相对应。

那么，又如何来求硬度呢？这就要联想到相图与性能之间的对应关系，即硬度与成分对应为直线关系（如题图2所示），这样就可利用题目所给的已知条件，求出该合金的算术平均值来。

题图 1 PB – SB 二元合金相图 题图 2 化学成分与硬度之间的关系 2. 解答设该合金的成分为X%Sb ，则根据杠杆定律：W Sb =2.111002.11--X =5 ， X=15.6 或 X X --=1002.11955 ，X=15.6 该合金的硬度为：3+7)330(1006.15=-⨯HBS或 先求出铅和锑这两个相的相对百分含量，即W Pb =1001006.15100⨯-%=84.4% ，W Sb =15.6% 所以，该合金的硬度为：3×84.4%+30×15.6%=7HBS3. 常见错误剖析（1）对于题目所叙“要求其组织为在共晶体基体上分布有５% Ｓｂ作硬质点”这句话不理解，误认为两相的相对百分含量为5%的Sb，95%的Pb，那么该合金变为亚共晶合金，其结果必然造成一错再错；（2）不会应用杠杆定律来求解该合金组织的相对百分含量，具体表现在直接利用室温下的两相区来进行计算，“组织”和“相”混为一谈；（3）对于求解该合金的硬度感到茫然而不知所措，无从着手。

三、典型铁碳合金的平衡结晶过程铁碳相图上的合金,按成分可分为三类：⑴ 工业纯铁（〈0.0218％ C ），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。

⑵ 碳钢(0.0218%~2。

11％C ），其特点是高温组织为单相A,易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.0218%~0。

77%C)、共析钢（0.77％C ）和过共析钢(0。

77%～2.11％C ）。

⑶ 白口铸铁（2。

11％～6。

69%C ），其特点是铸造性能好，但硬而脆,白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（2。

11％~4。

3%C ）、共晶白口铸铁（4.3%C ）和过共晶白口铸铁(4.3-6.69%C)下面结合图3-26，分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化.图3—26 七种典型合金在铁碳合金相图中的位置㈠ 工业纯铁(图3-26中合金①）的结晶过程合金液体在1~2点之间通过匀晶反应转变为δ铁素体.继续降温时，在2~3点之间，不发生组织转变。

温度降低到3点以后，开始从d 铁素体中析出奥氏体，在3～4点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增多，到达4点以后，d 铁素体全部转变为奥氏体。

在4~5点之间,不发生组织转变。

冷却到5点时,开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到6点，奥氏体全部转变为铁素体。

在6-7点之间冷却，不发生组织转变.温度降到7点，开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体Fe 3C III 。

7点以下，随温度下降，Fe 3C III 量不断增加，室温下Fe 3C III 的最大量为:%31.0%1000008.069.60008.00218.03=⨯--=ⅢC Fe Q .图3—27为工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图。

工业纯铁的室温组织为a+Fe 3C III ,如图3—28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe 3C III 。

图3-27 工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-28 工业纯铁的显微组织 400× ㈡ 共析钢（图3-26中合金②)的结晶过程共析钢的含碳量为0.77%，超过了包晶线上最大的含碳量0。

习题与思考题剖析【例题】用铅锑合金制成的轴瓦，要求其组织为在共晶体上分布有5%Sb 作硬质点，试求该合金的成分及硬度（已知条件：纯铅的硬度为3HBS ，纯锑的硬度约为30HBS ）。

1. 分析Pb-Sb 二元合金相图如题图1所示。

由题意可知，在共晶体基体上分布有5%Sb 作硬质点，即指该合金的组织为95%的共晶体组织+5%Sb 硬质点所组成，那么即可判断该合金一定是过共晶成分。

那么，如何利用杠杆定律求出该合金组织的相对百分含量呢？由于杠杆定律仅适用于两相区，那么必须使所求的组织与相应的两相区相对应。

由题图1所示的相图可以看出，只有影线所示的两相区中的两相才有可能与所求的组织近似对应，即共晶体与液相对应（因为，在共晶线上一定成分的液相全部转变为共晶体组织），硬质点与先共晶相相对应。

那么，又如何来求硬度呢？这就要联想到相图与性能之间的对应关系，即硬度与成分对应为直线关系（如题图2所示），这样就可利用题目所给的已知条件，求出该合金的算术平均值来。

题图 1 PB – SB 二元合金相图 题图 2 化学成分与硬度之间的关系 2. 解答设该合金的成分为X%Sb ，则根据杠杆定律：W Sb =2.111002.11--X =5 ， X=15.6 或 X X --=1002.11955 ，X=15.6 该合金的硬度为：3+7)330(1006.15=-⨯HBS或 先求出铅和锑这两个相的相对百分含量，即W Pb =1001006.15100⨯-%=84.4% ，W Sb =15.6% 所以，该合金的硬度为：3×84.4%+30×15.6%=7HBS3. 常见错误剖析（1）对于题目所叙“要求其组织为在共晶体基体上分布有５% Ｓｂ作硬质点”这句话不理解，误认为两相的相对百分含量为5%的Sb，95%的Pb，那么该合金变为亚共晶合金，其结果必然造成一错再错；（2）不会应用杠杆定律来求解该合金组织的相对百分含量，具体表现在直接利用室温下的两相区来进行计算，“组织”和“相”混为一谈；（3）对于求解该合金的硬度感到茫然而不知所措，无从着手。

铁碳合金相图一、选择题1、铁素体就就是碳溶解在( )中所形成得间隙固溶体。

A、α-FeB、γ－FeC、δ-ＦeD、β－Fe2、奥氏体就就是碳溶解在( )中所形成得间隙固溶体。

ﻫ A、α-Ｆe B、γ-FｅC、δ-FｅＤ、β－Feﻫ３、渗碳体就就是一种（)。

A、稳定化合物B、不稳定化合物C、介稳定化合物D、易转变化合物４、在Fe－Ｆe3C相图中，钢与铁得分界点得含碳量为( )。

A、2％B、2、06% Ｃ、2、11% D、２、2％ﻫ５、莱氏体就就是一种( )。

A、固溶体B、金属化合物Ｃ、机械混合物 D、单相组织金属6ﻫ、在Fe-Fｅ3Ｃ相图中,ES线也称为( ）。

A、共晶线B、共析线C、A３线D、Aｃm线7ﻫ、在Ｆe-Fe3C相图中,ＧＳ线也称为( )。

A、共晶线B、共析线C、A3线D、Acm线8ﻫ、在Ｆe－Fｅ３C相图中，共析线也称为( )。

A、A1线Ｂ、ECF线 C、Acｍ线Ｄ、ＰSK线ﻫ９、珠光体就就是一种( ）。

Ａ、固溶体Ｂ、金属化合物 C、机械混合物Ｄ、单相组织金属10、在铁－碳合金中,当含碳量超过( )以后,钢得硬度虽然在继续增加,但强度却在明显下降。

A、0、８%B、0、9％C、1、0％D、1、１％１1、通常铸锭可由三个不同外形得晶粒区所组成,其晶粒区从表面到中心得排列顺序为( )。

ﻫ A、细晶粒区－柱状晶粒区-等轴晶粒区 B、细晶粒区-等轴晶粒区－柱状晶粒区C、等轴晶粒区-细晶粒区-柱状晶粒区D、等轴晶粒区－柱状晶粒区-细晶粒区1２、在Fｅ-Fe3C相图中,PSK线也称为( )。

Ａ、共晶线B、共析线Ｃ、A3线 D、Aｃm线１３、Fe-Ｆe３C相图中,共析线得温度为（ )。

ﻫＡ、724℃ B、７2５℃ C、726℃Ｄ、727℃1４、在铁碳合金中,共析钢得含碳量为( )。

A、0、６7% Ｂ、０、７7％ C、０、8％D、0、8７％ﻫ二、填空题ﻫ１、珠光体就就是(铁素体）与( 二次渗碳体）混合在一起形成得机械混合物。

第三章铁碳相图(含答案)第三章铁碳相图一、填空题（在空白处填上正确的内容）1、从相变的角度来看，钢与铸铁是按________来区分的，钢与工业纯铁是按________来区分的。

答案：有无共晶转变、有无共析转变2、碳溶解在________中形成的间隙固溶体称为奥氏体，常用符号________表示；奥氏体的力学性能是________和________不高，但具有良好的________。

答案：γ-Fe、A、强度、硬度、塑性3、渗碳体是铁和碳的化合物，常用________表示；渗碳体的含碳量为6．69％，具有复杂的晶格，它的________很高，脆性很大，而________和________几乎等于零。

C、硬度、塑性、韧性答案：Fe3C相图，它由三个典型的二元合金相图组合而成，即________、________和4、统观Fe-Fe3________。

答案：匀晶（型）相图、共晶（型）相图、包晶（型）相图5、铁碳合金在固态下的基本相有________、________和________三种。

答案：铁素体（F）、奥氏体(A)、渗碳体(Fe3C)6、在钢中，由于铁与碳的相互作用，可以形成四种基本组织，即________、________、________和________。

答案：铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体（Fe3C）、珠光体（P）7、Fe-FeC相图中，根据E点（含碳量为________）可将铁碳合金分为________和________3两大部分。

答案：2.11%、（碳）钢、铸铁8、在铁碳合金的基本相中，属于固溶体的有________、________，属于金属间化合物的有________。

答案：奥氏体、铁素体、渗碳体9、含碳量为4.3％的铁碳合金叫________，在1148℃以上为________，缓冷至1148℃时发生________反应，继续冷却到727℃时发生________转变，其室温组织为________。

铁碳相图1何谓金属的同素异构转变？试画出纯铁的结晶冷却曲线和晶体结构变化图。

2C Fe Fe 3-相图上三条水平线上进行何种类型的反应？3 何谓铁素体?何谓奥氏体?何谓渗碳体?其晶体结构如何?性能如何?4 何谓一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体?何谓共晶渗碳体和共析渗碳体?在显微镜下它们的形态有何特点?铁碳合金中二次渗碳体、三次渗碳体的最大可能含量是多少?5 何谓珠光体?何谓莱氏体、变态莱氏体?计算变态莱氏体中共晶渗碳体、二次渗碳体和共析渗碳体的含量是多少?6画出C Fe Fe 3-相图，并分别填写相区中的相和组织组成物。

7.分析20号、45号、T12、共析钢的平衡结晶过程及室温组织，并画出室温平衡组织示意图，根据杠杆定律，计算各组织组成物及相组成物的相对重量。

8 有一过共析钢在室温下C Fe 3的重量百分数为4％，利用杠杆定律判断该钢的含碳量是多少？9 利用杠杆定律计算3.2％C 亚共晶白口铁在室温下组织中珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体的相对含量？按相组成物计算铁素体和渗碳体的相对含量？10 何谓碳素钢？何谓白口铸铁？按室温平衡组织它们可分几类？其各类组织如何？11 今有一含碳2.0％的铁碳合金试样，在室温下从组织中观察到了少量的变态莱氏体，试分析其原因如何？12 今有一含碳2.2％的铁碳合金，室温下组织为珠光体与厚网状的游离渗碳体，没有发现莱氏体，试分析其原因如何？13.Fe-Fe3C合金相图有何作用？在生产实践中有何指导意义？又有何局限性？14．根据Fe-Fe3C 相图，说明产生下列现象的原因：1）含碳量为1.0% 的钢比含碳量为0.5% 的钢硬度高；2）在室温下，含碳0.8% 的钢其强度比含碳1.2% 的钢高；3）在1100℃，含碳0.4% 的钢能进行锻造，含碳4.0% 的生铁不能锻造；4）绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却用钢丝绳（用60 、65 、70 、75 等钢制成）；5）钳工锯T8 ，T10,T12 等钢料时比锯10,20 钢费力，锯条容易磨钝；6）钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜于通过铸造成形。