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《汽车工程材料》教案（15,16）-铁碳合金相图主要教学步骤和教学内容★课程回顾：（5min）匀晶相图、共晶相图的结晶过程分析及形成的相与组织★课程导入：（5min）1、钢与铸铁性能有何不同，为什么？2、钢为什么要加热（烧红）再锻打？（提出问题，学生思考并回答）★新课讲授：（70min）铁碳合金相图钢铁材料是工业生产和日常生活中应用最广泛的金属材料，主要组元是铁和碳，故称铁碳合金。
实际上是Fe和Fe3C两个基本组元组成的Fe－Fe3C相图。
一、纯铁的同素异构转变自然界中有许多元素具有同素异构现象，即同一种元素在不同条件下具有不同的晶体结构。
当温度等外界条件变化时，晶格类型会发生转变，称为同素异构转变。
二、铁碳合金的基本组织及其性能（提出思考问题：为什么fcc比bcc可溶入更多间隙原子？）三、铁碳合金相图铁碳合金相图是人类经过长期生产实践以及大量科学实验后总结出来的，是研究钢和铸铁的基础，也是选择材料、制定热加工、热处理工艺的主要依据。
铁和碳可以形成一系列化合物，考虑到工业上的实用价值，目前常用ωc＜6.69%的铁碳合金。
在相图的左上角靠近δ-Fe部分还有一部分高温转变，由于实用意义不大，所以在一般的研究中，常将此部分省略简化。
1.特性点2．主要特性线各不同成分的合金中具有相同意义的临界点的连接线称为特性线。
简化的Fe- Fe3C 相图中各特性线的符号、位置和意义如下。
（1）AC线：液体向奥氏体转变的开始线。
冷却至该线时，液体中开始结晶出固相奥氏体，即：L→A。
（2）CD线液体向渗碳体转变的开始线。
冷却至该线时，液体中开始结晶出渗碳体，称为一次渗碳体。
即：L→Fe3CⅠ。
ACD线统称为液相线，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号L表示。
（3）AE线液体向奥氏体转变的终了线。
ωc＜2.11%的液态铁碳合金冷却至此线，全部转变为单相奥氏体组织。
（4）ECF水平线共晶线。
ωc=4.3%~6.69%的液态铁碳合金冷却至此线时，将在恒温（1148℃）发生共晶转变，形成高温莱氏体。
铁碳合金状态图教案一、教学目标1. 让学生了解铁碳合金的基本概念和性质。
2. 使学生掌握铁碳合金状态图的构成和作用。
3. 培养学生运用铁碳合金状态图分析问题和解决问题的能力。
二、教学内容1. 铁碳合金的基本概念和性质2. 铁碳合金状态图的构成3. 铁碳合金状态图的作用4. 铁碳合金状态图的绘制方法5. 铁碳合金状态图的应用实例三、教学方法1. 讲授法：讲解铁碳合金的基本概念、性质和状态图的构成。
2. 演示法：展示铁碳合金状态图，讲解其作用和绘制方法。
3. 案例分析法：分析铁碳合金状态图在实际工程中的应用实例。
4. 小组讨论法：分组讨论铁碳合金状态图的应用问题。
四、教学准备1. 教材或教学资源：《金属材料与热处理》、《金属学》等。
2. 投影仪或白板：展示铁碳合金状态图。
3. 教学PPT：制作铁碳合金状态图教案的相关内容。
4. 案例材料：收集铁碳合金状态图在实际工程中的应用实例。
五、教学过程1. 导入：简要介绍铁碳合金的基本概念和性质，激发学生的学习兴趣。
2. 新课：讲解铁碳合金状态图的构成和作用，引导学生理解并掌握相关知识点。
3. 演示：展示铁碳合金状态图，讲解绘制方法，让学生直观地感受状态图的应用。
4. 案例分析：分析铁碳合金状态图在实际工程中的应用实例，培养学生运用知识解决问题的能力。
5. 小组讨论：分组讨论铁碳合金状态图的应用问题，促进学生之间的交流与合作。
6. 总结：回顾本节课的主要内容，强调铁碳合金状态图的重要性。
7. 作业布置：布置相关练习题，巩固所学知识。
六、教学评估1. 课堂问答：通过提问方式检查学生对铁碳合金基本概念和性质的理解。
2. 状态图绘制练习：让学生绘制简单的铁碳合金状态图，检验其对状态图构成和绘制方法的掌握。
3. 案例分析报告：评估学生在案例分析中的表现，包括分析问题的思路、运用知识的能力和团队合作精神。
七、教学拓展1. 邀请相关领域的专家或企业工程师进行讲座，分享铁碳合金状态图在实际工程中的应用经验和案例。
《汽车材料》教案任课教师：课程名称：课程代码：上课班级：专业：总学时：周学时：学期：202 ～202 学年第学期汽车材料教案教学活动过程一、组织教学二、复习前课知识1、铁碳合金的分类；2、铁碳合金的应用。
三、导入新课铁碳合金可分为工业纯铁、碳钢和铸铁三大类型。
它们分别如何完成平衡结晶？导出：我们可以通过铁碳合金的成分或组织来进行分类及应用。
四、新授课第三节合金分类及应用一、铁碳合金的分类铁碳合金由于成分的不同，室温下将得到不同的组织。
根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金分为工业纯铁、钢及白口铸铁三类。
点名，记考勤（1min）教师提问引导学生回答（2 min ）让学生相互讨论或查阅资料，找两名同学简要回答（2 min ）图片展示视频演示（2 min ）二、铁碳合金应用1、亚共析钢应用实例45＃钢：碳含量0.45％2、共析钢应用实例T8钢：碳含量 0.80％3、过共析钢应用举例T12 钢：碳含量 1.2％4、汽车典型零部件用材白车身常用材料：05F、08F、DC02、DC04、ST12、ST14、08Al图片展示视频演示（3 min ）图片展示视频演示（2 min ）教师提问引导学生回答（3 min ）本课小结：1、了解铁碳合金的应用区间；2、掌握铁碳合金的分类；3、掌握铁碳合金的应用。
教师指导，学生总结（1 min ）课后实践（推荐学习、作业）1、填空题练习；2、选择题练习。
（1 min ）课后反思：铁碳合金在日常生活和工业生产中应用非常广泛。
但学生们对合金结构的认识并不多，对合金的成分、组织及性能知之更少。
因此要根据同学们这种实际情况，多用实物及视频中不同合金材料的性能对比，使学生们有更为直观的认识，从而促进对铁碳合金相图的分析能力提升，对材料的成分、组织和性能有更深刻的理解。
《金属材料与热处理》课程电子教案项目名称项目四铁碳合金节名铁碳合金相图的应用1 能够利用铁碳合金相图分析铁碳合金的成分-组织-性能之间的关系；学习目标2 能够分析铁碳合金相图的应用。
教学重点铁碳合金相图成分-组织-性能之间的关系。
教学难点典型铁碳合金的应用。
教学手段教学板书；电子课件。
教学内容案例导入：钳工实习时，有一个项目，用锯条锯不同类型的碳钢。
为什么锯条可以锯T10钢和2021而且锯T10钢要锯2021费劲？通过铁碳合金相图的学习可以分析解答。
在实际生产中，铁碳合金相图还有哪些应用？一、铁碳合金的成分、组织与性能的关系由铁碳合金相图可知，随着含碳量的增加，铁碳合金的室温组织依次变化为，依次为：铁素体、铁素体珠光体、珠光体、珠光体二次渗碳体、珠光体二次渗碳体低温莱氏体、低温莱氏体、低温莱氏体一次渗碳体。
在Fe-Fe3C相图中，随着碳的质量分数增大，在铁碳合金的室温组织中，铁素体的含量不断减少，而渗碳体的含量不断增加。
不仅渗碳体的数量增加，而且渗碳体的大小、形态和分布情况也随着发生变化。
渗碳体由层片状分布在铁素体基体内（如珠光体）变为呈网状分布在晶界上（如二次渗碳体），最后形成莱氏体时，渗碳体已作为基体出现。
因此，不同成分的铁碳合金的组织结构不同，性能也有很大的差异。
在铁碳合金中，渗碳体一般可看作是一种强化相。
基体是铁素体，随着渗碳体数量的增加，其强度和硬度升高，而塑性与韧性相应降低。
当碳的质量分数大于％时，由于网状二次渗碳体出现，导致钢的强度下降。
含碳量越高，渗碳体含量增加，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。
含碳量对正火后碳素钢的力学性能的影响利用铁碳合金成分—温度—组织—性能之间的关系，可以合理地对零件进行选材、加工、热处理等。
二、铁碳相图的应用1、在选材方面的应用铁碳合金相图所表明的成分、组织与性能之间的关系，为合理选用钢铁材料提供了依据。
（1）纯铁磁导率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁心等。
第五章铁碳合金相图及应用[重点掌握]1、铁碳合金的基本组织；铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、菜氏体的结构和性能特点及显微组织形貌；2、根据相图，分析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程；3、铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系。
铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。
铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等, 有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为Fe-Fe3C相图,相图中的组元只有Fe和Fe3C。
第一节铁碳合金基本相一、铁素体1．δ相高温铁素体：C固溶到δ-Fe中，形成δ相。
2．α相铁素体（用F表示）：C固溶到α-Fe中，形成α相。
F强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%,727度：C%=0.0218%）二、奥氏体γ相奥氏体（用A表示）：C固溶到γ-Fe中形成γ相）强度低，易塑性变形三、渗碳体Fe3C相（用Cem表示），是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物,渗碳体的熔点高，机械性能特点是硬而脆，塑性、韧性几乎为零。
渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。
第二节Fe-Fe3C相图分析一、相图中的点、线、面1．三条水平线和三个重要点（1）包晶转变线HJB，J为包晶点。
1495摄氏度，C%=0.09-0.53% L+δ→A（2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。
冷却到1148℃时, C点成分的L发生共晶反应：L →A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C，共晶渗碳体）共晶反应在恒温下进行, 反应过程中L、A、Fe3C三相共存。
共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物, 称莱氏体, 以符号Le表示。
（3）共析转变线PSK，S点为共析点。
合金（在平衡结晶过程中冷）却到727℃时, S点成分的A发生共析反应：A →F（0.0218%C）+Fe3C（6.69%C、共析渗碳体）—P（珠光体）共析反应在恒温下进行, 反应过程中, A、F、Fe3C三相共存。
主要教学步骤和教学内容
★课程回顾：（5min）
铁碳合金的基本分类方法；
五种典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织。
★课程导入：（5min）
1、铁碳合金相图在实际生产中有何应用，其局限性体现在哪方面？
2、工业铸铁与铁碳合金相图中的白口铸铁组织与性能有何区别？
（提出问题，学生思考并回答）
★新课讲授：（70min）
一、碳含量对铁碳合金平衡组织及性能的影响
室温下铁碳合金中成分、平衡组织、组成物及性能的定量关系如图所示。
室温下，铁碳合金由铁素体和渗碳体两种基本相组成。
随着含碳量的增加，合金的室温组织中的渗碳体相数量呈直线增加。
同时，铁素体相和渗碳体相的形态和分布（即组织）也随着含碳量的增加而变化。
由于随着含碳量的增加，组成相及平衡组织发生了改变，合金的力学性能也相应发生变化。
亚共析钢的组织是由铁素体和珠光体组成，随着含碳量的增加，其组织中珠光
体的数量随之增加，因而强度、硬度逐渐升高，塑性、韧性不断下降。
过共析钢的组织是由珠光体和网状二次渗碳体组成，随着钢中含碳量的增加，其组织中珠光体的数量不断减少，而网状二次渗碳体的数量相对增加，因而强度、硬度升高，塑性、韧性不断下降。
由图可看出，当ω
=0.9%时，强度极限出现峰值，随后强度显著下降。
这是由于二
c
次渗碳体量逐渐增加形成连续的网状，从而割裂基体，故使钢的强度呈迅速下降趋势。
由此可见，强度是一种对组织形态很敏感的性能。
实际生产中，为了保证碳钢具有足够的强度，一定的塑性和韧性，碳质量分数一般不应超过1.3%~1.4%。
白口铸铁中都存在莱氏体组织，具有很高的硬度和脆性，既难以切削加工，也不能进行锻造。
因此，白口铸铁的应用受到限制。
但是由于白口铸铁具有很高的抗磨损能力，对于表面要求高硬度和耐磨的零件，如犁铧、冷轧辊等，常用白口铸铁制造。
二、Fe- Fe3C相图在工业中的应用
（1）在选材方面的应用
C相图反映了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律。
这样，就可以根据零Fe- Fe
3
件的工作条件和性能要求来合理的选择材料。
（2）在铸造生产上的应用
由Fe- Fe
C相图可见，共晶成分的铁碳合金熔点低，结晶温度范围最小，具有良好
3
的铸造性能。
因此，在铸造生产中，经常选用接近共晶成分的铸铁。
（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
（4）在焊接生产上的应用
焊接时，由于局部区域（焊缝）被快速加热，所以从焊缝到母材各区域的温度是不C相图可知，温度不同，冷却后的组织性能就不同，为了获得均匀一致同的，由Fe- Fe
3
的组织和性能，就需要在焊接后采用热处理方法加以改善。
（5）在热处理方面的应用
C相图可知，铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化，所以钢和从Fe- Fe
3
铸铁可以进行有相变的退火、正火、淬火和回火等热处理。
此外，奥氏体有溶解碳和其它合金元素的能力，而且溶解度随温度的提高而增加，这就是钢可以进行渗碳和其它化学热处理的缘故。
应该指出。
铁碳相图不能说明快速加热或冷却时铁碳合金组织变化的规律。
因此，不能完全依据铁碳相图来分析生产过程中的具体问题，还需结合转变动力学的有关理论综合分析。
★课程小结：（10min）
1、碳含量对铁碳合金平衡组织及性能的影响规律
2、Fe- Fe3C相图在工业中的应用
作业：
****学院教案用纸
****学院教案用纸
主要教学步骤和教学内容
★课程回顾：（5min）
1、碳含量对铁碳合金平衡组织及性能的影响规律
2、Fe- Fe3C相图在工业中的应用
★课程导入：（5min）
1、工业铸铁与相图中的白中铸铁有何区别？
2、如何使合金中的碳以石墨的形式析出？
（提出问题，学生思考并回答）
★新课讲授：（70min）
一、工业铸铁与白口铸铁
C合金相图中的白口铸铁中的碳是完全以碳化物的形式存在，这种铸铁脆性Fe-Fe
3
特点大，又特别坚硬，很少在工业上作为零件材料使用，大多是作为炼钢用的原料，作为原料时，通常称之为生铁。
工业铸铁中的碳大部分或全部是以石墨的形式存在，其组织是由基体（即钢基体）和石墨（以G表示）两部分组成。
石墨的晶格类型为简单六方晶格，其基面中的原子结合力较强，而两平行基面之间的距离大，原子结合力弱，故石墨的基面很容易滑动，所以其强度、硬度、塑性和韧性极低，但具有润滑性，常呈片状形态存在。
二、Fe-Fe3C和Fe-G双重相图
C）和游离态的铸铁中的碳除少量固溶于基体中外，主要以化合态的渗碳体（Fe
3
石墨（G）两种形式存在。
石墨是碳的单质态之一，其强度、塑性和韧性都几乎为零。
渗碳体是亚稳相，在一定条件下将发生分解：Fe
3
C→3Fe +C，形成游离态石墨。
二、铸铁的石墨化过程
铸铁中的石墨可以在结晶过程中直接析出，也可以由渗碳体加热时分解得到。
铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。
铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系（以共晶铸铁为例）
石墨化进行程度
铸铁的显微组织铸铁类型第一阶段石墨化第二阶段石墨化
完全进行完全进行F+G
灰口铸铁部分进行F+P+G
未进行P+G
部分进行未进行e
L'+P+G 麻口铸铁未进行未进行e
L'白口铸铁
四、影响石墨化的因素
1.化学成分的影响
C和Si是强烈促进石墨化的元素，
S是强烈阻碍石墨化的元素，降低铁水的流动性，恶化铸造性能，其含量就尽可能低。
Mn也是阻碍石墨化的元素，但它和S有很大的亲和力，在铸铁中能与硫形成MnS，
减弱了S对石墨化的有害作用。
2.冷却速度的影响
铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响
3.铸铁的过热和高温静置的影响
在一定温度范围内，提高铁水的过热温度，延长高温静置的时间，都会导致铸铁中的石墨基体组织的细化，使铸铁强度提高。
进一步提高过热度，铸铁的成核能力下降，因而使石墨形态变差，甚至出现自由渗碳体，使强度反而下降，因而存在一个“临界温度”。
临界温度的高低，主要取决于铁水的化学成分及铸件的冷却速度．一般认为普通灰铸铁的临界温度约在1500～1550℃左右，所以总希望出铁温度高些。
★课堂小结：（10min）
1、铁碳合金的基本分类；
2、典型铁碳合金结晶过程的基本规律总结
作业：。
