1、第四章 铁碳合金4-1 分析 Wc=0.2%，Wc=0.6%，Wc=1.2%，的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的转变过程，用冷却曲线和组织示意图说明各阶段的组织，并分别计算室温下的相组成物及组织组成物的含量。答：1、Wc=0.2%的转变过程及相组成物和组织组成物含量计算转变过程：1）液态合金冷却至液相线处，从液态合金中按匀晶转变析出 铁素体，L，组织为液相+ 铁素体2）液态合金冷却至包晶温点（1495） ，液相合金和 铁素体发生包晶转变，形成奥氏体 ，L+ ，由于 Wc=0.2%高于包晶点 0.17%，因此组织为奥氏体加部分液相。3）继续冷却，部分液相发生匀晶转变析出奥氏体 ，直至消耗完所有液相
2、，全部转变为奥氏体组织。4）当合金冷却至与铁素体先共析线相交时，从奥氏体中析出先共析铁素体，组织为奥氏体+先共析铁素体5）当合金冷却至共析温度时，奥氏体碳含量沿铁素体先共析线变化至共析点碳含量，发生共析转变 +Fe 3C，此时组织为先共析铁素体+珠光体6）继续冷却，先共析铁素体和珠光体中的铁素体都将析出三次渗碳体，但数量很少，可忽略不计。所以室温下的组织为：先共析铁素体+珠光体。组织含量计算：组织含量计算：W （先） =（0.77-0.2）/（0.77-0.0218 ）100%76.2% ，Wp=1- W（先） 23.8%相含量计算：W =（6.69-0.2）/（6.69-0.0218） 10
3、0%97.3%，W Fe3C= 1- W 2.7%2、Wc=0.6%的转变过程及相组成物和组织组成物含量计算转变过程：1）液态合金冷却至液相线处，从液态合金处按匀晶转变析出奥氏体，L，组织为液相+奥氏体。2）继续冷却，直至消耗完所有液相，全部转变为奥氏体组织。4）当合金冷却至与铁素体先共析线相交时，从奥氏体中析出先共析铁素体，组织为奥氏体+先共析铁素体5）当合金冷却至共析温度（727）时，奥氏体碳含量沿铁素体先共析线变化至共析点，发生共析转变 +Fe 3C，此时组织为先共析铁素体+珠光体6）珠光体中的铁素体都将析出三次渗碳体，但数量很少，可忽略不计。所以室温下的组织为：先共析二次渗碳体+珠光体
4、组织含量计算：组织含量计算：W （先） ） =（0.77-0.6）/（0.77-0.0218 ）100%22.7% ，Wp=1- W（先） 77.3%相含量计算：W =（6.69-0.6）/（6.69-0.0218） 100%91.3%，W Fe3C= 1- W 8.7%3、Wc=1.2%的转变过程及相组成物和组织组成物含量计算转变过程：1）液态合金冷却至液相线处，从液态合金处按匀晶转变析出奥氏体，L，组织为液相+奥氏体。2）继续冷却，直至消耗完所有液相，全部转变为奥氏体组织。3）当合金冷却至与渗碳体先共析线（碳在奥氏体中的溶解度曲线）相交时，从奥氏体中析出先共析二次渗碳体，组织为奥氏体+先共
5、析二次渗碳体4）当温度冷却至共析温度（727）时，奥氏体碳含量沿溶解度曲线变化至共析点碳含量，发生共析转变 +Fe 3C，组织为珠光体+先共析二次渗碳体5）珠光体中的铁素体都将析出三次渗碳体，但数量很少，可忽略不计。所以室温下的组织为：先共析二次渗碳体+珠光体组织含量计算：组织含量计算：W Fe3C（先） =（1.2-0.77）/（6.69-0.77 ）100%7.3%，Wp=1- W Fe3C（先） 92.7%相含量计算：W =（6.69-1.2）/（6.69-0.0218） 100%82.3%，W Fe3C= 1- W 16.7%4-2 分析 Wc=3.5%，Wc=4.7%的铁碳合金从液态
6、到室温的平衡结晶过程，画出冷却曲线和组织变化示意图，并计算室温下的组织组成物和相组成物。答：1、Wc=3.5%的转变过程及相组成物和组织组成物含量计算转变过程：1）液态合金冷却至液相线处，从液态合金中按匀晶转变析出奥氏体，L，组织为液相合金+奥氏体。2）当合金温度冷却至共晶温度（1127）时，液相合金中的含碳量变化至共晶点，液相合金发生共晶转变 L+Fe 3C，组织为共晶莱氏体 Ld+奥氏体。3）温度继续降低，匀晶奥氏体和莱氏体中的奥氏体将析出二次渗碳体。所以组织为：奥氏体+莱氏体+二次渗碳体。4）当温度降低至共析温度（727） ，奥氏体中的碳含量变化值共析点，发生共析转变形成珠光体，+Fe
7、3C，组织为珠光体（低温莱氏体 Ld）+二次渗碳体。5）继续冷却，珠光体中的铁素体将会析出按此渗碳，但数量很少，可以忽略不计。所以室温下的组织为：珠光体（低温莱氏体 Ld）+渗碳体（二次渗碳体+ 共晶渗碳体） 。组织含量计算：组织含量计算：W Fe3C =（2.11-0.77）/（6.69-0.77 ） （6.69-3.5 ）/（6.69-2.11）100%19.2%W Fe3C（共） =（4.3-2.11）/（6.69-2.11）（3.5-2.11 ）/（4.3-2.11）100%30.6%WLd=1- W Fe3C（共） -W Fe3C =50.2%相含量计算： W =（6.69-0.77
8、）/（6.69-0.0218）W Ld 100%44.6%，W Fe3C= 1- W 55.4%2、Wc=4.7%的转变过程及相组成物和组织组成物含量计算转变过程：1）液态合金冷却至液相线处，从液态合金中按匀晶转变析出粗大的渗碳体，称为一次渗碳体，LFe3C ，组织为液相合金+ Fe3C 。2）当合金温度冷却至共晶温度（1127）时，液相合金中的含碳量变化至共晶点，液相合金发生共晶转变 L+Fe 3C，组织为共晶莱氏体 Ld+ Fe3C 。3）温度继续降低， 共晶莱氏体中的奥氏体将析出二次渗碳体，组织为：莱氏体+ 一次渗碳体+ 二次渗碳体。4）当温度降低至共析温度（727） ，共晶莱氏体中奥氏
9、体中的碳含量变化至共析点，发生共析转变形成珠光体，+Fe 3C，此时组织为：珠光体（低温莱氏体 Ld）+ 一次渗碳体+二次渗碳体。5）继续冷却，珠光体中的铁素体将会析出三次渗碳体，但数量很少，可以忽略不计。所以室温下的组织为：珠光体（低温莱氏体 Ld）+ 渗碳体（一次渗碳体+ 二次渗碳体+ 共晶渗碳体） 。组织含量计算：组织含量计算：W Ld=（ 6.69-2.11）/（6.69-0.77） （6.69-4.7 ）/（6.69-2.11）100%33.5%W Fe3C =1- WLd66.5%相含量计算： W =（6.69-0.77）/（6.69-0.0218）W Ld 100%29.7%，W
10、 Fe3C= 1- W 80.3%4-3 计算铁碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大可能含量。答：二次渗碳体最大含量：1、我们知道二次渗碳体是从奥氏体中析出的，随奥氏体的含量增多，二次渗碳体的含量增多。2、而且二次渗碳体的含量随着奥氏体中的碳含量增加而增大3、所以根据铁碳相图，当铁碳合金中的碳含量为 2.11%可以或多最多的奥氏体含量以及最大的奥氏体含碳量，也就是所可以得到最多的二次渗碳体含量。其含量=（2.11-0.77）/（ 6.69-0.77）100%22.6%三次渗碳体最大含量：1、我们知道三次渗碳体是从铁素体中析出的，所以必然随着铁素体的含量增多而增多。2、而且要析出渗碳体必须要足够的
11、碳含量，所以铁素体中的碳含量越多，越容易析出三次渗碳体。3、根据铁碳相图，当铁碳合金中的碳含量为 0.0218%时，可以获得最多的铁素体含量。其含量=0.0218/6.69 100%0.33%4-4 分别计算莱氏体中共晶渗碳体、二次渗碳体、共析渗碳体的含量。答：共晶渗碳体含量：W Fe3C（晶） =（4.3-2.11 ）/ （6.69-2.11）100%47.8% ，W A=1- W Fe3C（共） 52.2%二次渗碳体含量：W Fe3C =（2.11-0.77 ）/（ 6.69-0.77）W A100%11.8%共析渗碳体含量：W Fe3C（析） =（0.77-0.0218）/（6.69-0
12、.0218）（W A - W Fe3C ）100%4.5%4-5 为了区分两种弄混的碳钢，工作人员分别截取了 A、B 两块试样，加热至850保温后以极慢的速度冷却至室温，观察金相组织，结果如下：A 试样的先共析铁素体面积为 41.6%，珠光体的面积为 58.4%。B 试样的二次渗碳体的面积为 7.3%，珠光体的面积为 92.7%。设铁素体和渗碳体的密度相同，铁素体中的含碳量为零，试求 A、B 两种碳钢含碳量。答：对于 A 试样：设 A 含碳量为 X%，由题述知先共析铁素体含量为 41.6%可以得到41.6%=（0.77-X）/0.77 100%，得出 X0.45，所以 A 中含碳量为 0.45
13、%。对于 A 试样：设 B 含碳量为 Y%，由题述知二次渗碳体含量为 7.3%可以得到7.3%=（Y-0.77）/(6.69-0.77) 100%，得出 Y1.2，所以 B 中含碳量为1.2%。4-6 利用铁碳相图说明铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系。答：成分和组织之间的关系：1、 从相组成的角度，不论成分如何变化，铁碳合金在室温下的平衡组织都是由 铁素体和渗碳体两相组成。2、 当碳含量为零，铁碳合金全部由铁素体组成，随着碳含量的增加铁素体的含量呈直线下降，直到碳含量为 6.69%时，铁素体含量为零，渗碳体含量则由零增至 100%。3、 含碳量的变化还会引起组织的变化。随着成分的变化，将会
14、引起不同性质的结晶和相变过程，从而得到不同的组织。随着含碳量的增加，铁碳合金的组织变化顺序为：FF+PPP+ Fe3C P+ Fe3C +LdLdLd+ Fe3C (F 代表铁素体，P 代表珠光体，Ld 代表低温莱氏体)组织和性能之间的关系：铁素体相是软韧相、渗碳体相是硬脆相。珠光体由铁素体和渗碳体组成，渗碳体以细片状分散地分布在铁素体基体上，起强化作用，所以珠光体的强度、硬度较高，但塑性和韧性较差。1、 在亚共析钢中，随着含碳量增加，珠光体增多，则强度、硬度升高，而塑性和韧性下降。2、 在过共析钢中，随着含碳量增加，二次渗碳体含量增多，则强度、硬度升高，当碳含量增加至接近 1%时，其强度达到
15、最高值。碳含量继续增加，二次渗碳体将会在原奥氏体晶界形成连续的网状，降低晶界的强度，使钢的脆性大大增加，韧性急剧下降。3、 在白口铁中，随着碳含量的增加，渗碳体的含量增多，硬度增加，铁碳合金的塑、韧性单调下降，当组织中出现以渗碳体为基体的低温莱氏体时，塑、韧性降低至接近于零，且脆性很大，强度很低。4、 铁碳合金的硬度对组织组成物或组成相的形态不十分的敏感，其大小主要取决于组成相的数量和硬度。随着碳含量增加，高硬度的渗碳体增多，铁碳合金的硬度呈直线升高。5、 低碳钢铁素体含量较多，塑韧性好，切削加工产生的切削热大，容易粘刀，而且切屑不易折断，切削加工性能不好。高碳钢渗碳体含量多，硬度高，严重磨损
16、刀具，切削加工性能不好。中碳钢，铁素体和渗碳体比例适当，硬度和塑性适中，切削加工性能好。6、 低碳钢铁素体含量较多，塑韧性好，可锻性好；高碳钢渗碳体含量多，硬度高，可锻性变差。4-7 铁碳相图有哪些应用，又有哪些局限性。答：应用：1、由铁碳相图可以计算出不同成分的铁碳合金其组成相的相对含量。2、由铁碳相图还可以反映不同成分铁碳合金的结晶和相变特性。3、由铁碳相图可大致判断不同成分铁碳合金的力学性能和物理性能。4、由铁碳相图可大致判断不同成分铁碳合金的铸造性能、可锻性和切削加工性等工艺性能。局限性：1、铁碳相图反映的是在平衡条件下相的平衡，而不是组织的平衡。相图只能给出铁碳合金在平衡条件下相的类别、相的成分及其相对含量，并不能表示相的形状、大小和分布，即不能给出铁碳合金的组织状态。2、铁碳相图给出的仅仅是平衡状态下的情况，而平衡状态只有在非常缓慢加热和冷却，或者在给定温度长期保温的情况下才能得到，与实际的生产条件不是完全的相符合。3、铁碳相图只反映铁、碳二元系合金相的平衡关系，而实际生产中所使用的铁碳合金中往往加入其他元素，此时必须要考虑其他元素对相图的影响，尤其当其他元素含量较高时，相图中的平衡关系会发生重大变化，甚至完全不能适用。
