铁碳相图理解记忆法
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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。
巧记铁碳相图本帖最后由 sunny2008 于 2010-12-8 06:23 编辑一二三四五六巧记铁碳相图"一"指一种合金组织渗碳体(Fe3C):特别需要注意从金属液态直接结晶出渗碳体称为一次渗碳体(Fe3CⅠ),而从A(奥氏体)中析出渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CⅡ)。
很易把两者混淆。
"二"指二个坐标:C/%、To/℃;在画的时候容易忘记这两坐标标注。
"三"指三个单项:A(奥氏体)、P(珠光体)、Ld(莱氏体)。
在铁碳合金相图中,只有三个区域中是单项组织,其中在727℃以下含碳量为0.77%时,其成分只有P(朱光体),1148℃以下含碳量为4.3%时,其成分只有Ld(莱氏体),在这些地方经常容易漏掉。
"四"指四个含碳量: 0.77%、2.11%、4.3%、6.69%;"五"指五种温度:1538℃,1148℃,1227℃,912℃,727℃;"六"指六条线:(1) ACD液相线:其以上组织都是液态。
(2) AECF固相线:其以下组织都是固态。
(3) GS奥氏体析出铁素体的开始线:奥氏体析出铁素体(4) ES溶解度线:奥氏体析出渗碳体称为二次渗碳体(5) ECF共晶线:金属液态结晶出莱氏体(Ld)。
(6) PSK共析线:当合金组织冷却到727℃以下奥氏体(A)全部转成朱光体(P)。
下载 (119.01 KB)昨天06:23一、基本概念1.铁碳合金:碳钢和铸铁的统称,都是以铁和碳为基本组元的合金2.碳钢:含碳量为0.0218%~2.11%的铁碳合金3.铸铁:含碳量大于2.11%的铁碳合金4.铁碳合金相图:研究铁碳合金的工具,是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础,也是制定各种热加工工艺的依据。
注:由于含碳量大于Fe3C的含碳量(6.69%)时,合金太脆,无实用价值,因此所讨论的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C二、组元1.纯铁纯铁指的是室温下的α-Fe,强度、硬度低,塑性、韧性好。
【干货】详解铁碳相图小编今天整理并汇总了关于铁碳相图的知识点,帮助大家加深对铁碳相图的理解。
铁碳相图中点&线&区表示的含义铁碳相图知识点1、铁素体:碳在a-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体,用符号F 或a表示。
碳在a-Fe中的溶解度很低,因此,铁素体的机械性能与纯铁相近,其强度、硬度较低,但具有良好的塑性、韧性。
2、奥氏体:碳在γ -Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体,用符号A 或γ表示。
3、渗碳体:渗碳体是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物,它的分子式为Fe3C,渗碳体既是组元,又是基本相。
4、珠光体:用符号P表示,它是铁素体与渗碳体薄层片相间的材料机械混合物。
5、莱氏体:用符号Ld表示,奥氏体和渗碳体所组成的共晶体。
铁碳相图中平衡结晶过程及组织分析分类: (按有无共晶转变分类)▶工业纯铁 (Wc<0.0218%)▶碳钢 (Wc<2.11%)▶铸铁 (Wc>2.11%)分为七种类型: (根据组织,按含碳量分类)1、工业纯铁 (Wc<0.0218%)2、亚共析钢 (Wc=0.0218-0.77%)3、共析钢 (Wc=0.77%)4、过共析钢 (Wc=0.77-2.11%)5、亚共晶白口铸铁(Wc=2.11-4.3%)6、共晶白口铸铁 (Wc=4.3%)7、过共晶白口铸铁(Wc= 4.3-6.69%)工业纯铁(Wc=0.01%)L→ L+δ→ δ → δ+γ(奥氏体)→ γ → γ +a (铁素体) → a→ a+Fe3CⅢ(三次渗碳体区)亚共析钢(Wc=0.40%)L→ L+δ→包晶反应→ L +γ(奥氏体)→γ→γ +α(铁素体)→共析反应→α(铁素体)+P(珠光体)→ α+ P+Fe3CⅢ(三次渗碳体) 省略Fe3CⅢ(三次渗碳体), 最终组织: α(铁素体)+ P (珠光体)包晶反应: L+ δ →γ(奥氏体)共析反应后的α(铁素体)与P(珠光体)含量:WP=5P/SPWα=S5/SP共析钢(Wc=0.77%)L→ L+γ(奥氏体)→ γ→(共析反应)→ α(铁素体)+Fe3C(共析渗碳体)→ α+Fe3C+Fe3CⅢ(三次渗碳体区)省略Fe3CⅢ, 最终组织: α+Fe3C (即: P (珠光体))P (珠光体): 铁素体(a)+渗碳体(Fe3C)共析反应: 727℃ γ0.77→ α0.0218+ Fe3C (P珠光体)W α 0.0218 =(6.69-0.77)/(6.69-0.218)=88%W Fe3C =1-88%=12%过共析钢(Wc=1.2%)L→ L+γ(奥氏体)→ γ→ γ+Fe3CⅡ(二次渗碳体)→ P(珠光体)+Fe3CⅡ (二次渗碳体)共析反应后的Fe3CⅡ(二次渗碳体)与P(珠光体)含量:WP=4V/SVW Fe3CⅡ =4S/SV亚共晶白口铸铁(Wc=3.0%)L→ L+γ(初晶奥氏体)→ 共晶反应→ γ(初晶奥氏体) + Ld(莱氏体) → γ (初晶奥氏体) + Ld(莱氏体) + Fe3CⅡ (二次渗碳体)→ 共析反应→ P(珠光体)+Ld’(低温莱氏体)+Fe3CⅡ (二次渗碳体)共晶反应后,该铸铁中组织组成物中,初晶奥氏体含量:W γ =(4.3-3.0)/(4.3-2.11)=59.4%莱氏体含量: W Ld=(3.0-2.11)/(4.3-2.11)=40.6%共晶白口铸铁(Wc=4.3%)L→共晶反应→ γ(奥氏体)+Fe3C(共晶渗碳体)→共析反应→ P(珠光体)+Fe3C(共晶渗碳体)+ Fe3CⅡ (二次渗碳体)L→ Ld(莱氏体)→ Ld’(低温莱氏体或变态莱氏体)共晶反应:L→ γ(奥氏体)+Fe3C(共晶渗碳体)共析反应:γ(奥氏体) → P(珠光体)P(珠光体):α(铁素体)+ Fe3C(渗碳体)Ld(莱氏体):γ(共晶奥氏体)+Fe3C(共晶渗碳体)Ld’(低温莱氏体或变态莱氏体): P(珠光体)+Fe3C(共晶渗碳体)+ Fe3CⅡ (二次渗碳体)过共晶白口铸铁(Wc=5.0%)L→ L+Fe3CⅠ(一次渗碳体)→共晶反应→ Ld(莱氏体) + Fe3CⅠ(一次渗碳体)→共析反应→Ld’(低温莱氏体)+ Fe3CⅠ(一次渗碳体)今天的铁碳相图知识你学会了吗注意:在铁碳相图中还有一些易混淆的概念,请接着往下看~重结晶:在固态下的相变结晶过程。
详解铁碳相图(注:在解读上面铁碳相图之前,我们要明白纯铁在不同的温度下会发生同素异晶转变,这个对于我们解读上面相图很有用。
)1:ACD线:ACD线上面完全是液相,没有固相产生。
在温度1538℃时候,此时的液态铁的晶格类型为δ-Fe,如果此时的碳溶解在δ-Fe的晶格间隙中,那么就会产生一种新的相,即为铁素体相,为了区别碳溶解在α-Fe中的铁素体相,分别给它们前面加上一个δ或者α,即如果是碳溶解到晶格类型为δ-Fe的间隙中形成间隙固溶体相的就命名为δ-铁素体或直接写δ,如果是溶解到晶格类型为α-Fe的间隙中形成间隙固溶体相的就命名为α-铁素体或α或F。
伴随着温度的下降,组元----温度----成分三者是这个铁碳相图的核心理念。
要看懂这个相图,弄明白组元----温度----成分关系,就能读懂这个相图。
从图中你可以看见,即便同一个温度,不同的碳含量,它的成分是不一样的,这就是为什么要提到组元----温度----成分这三者关系的原因。
而铁碳相图会一直要用到这三者的关系来加以理解。
重点:铁素体就是碳溶解到δ-Fe和α-Fe的晶格间隙而形成的一种间隙固溶体相。
2:AEC区域和CDF区域AEC和CDF区域有液相也有固相,但是,它们的成分是不一样的,AEC区域为什么是奥氏体+液相呢?为什么CDF区域是渗碳体+液相呢?首先,AEC区域之所以是奥氏体+液相,那是因为在1500℃---1148℃时候δ-Fe会转变成γ-Fe(转变温度为1394℃),也就是说,当温度从1394℃再次冷却到1148℃的时候,这时候δ-Fe已经转变成了γ-Fe,此时的碳就会溶解到γ-Fe晶格中形成一种新的间隙固溶体相,即为奥氏体,由于受到温度原因,液相并没有全部结晶,所以在AEC区域中的成分就是奥氏体—液相。
很有意思的如果碳含量达不到析出渗碳体的碳含量要求的话,液相是不会析出渗碳体,那么从图中可以看出,要从液相中析出渗碳体的的碳含量要求是必须大于或等于3.4%,即为图中的点C,而这个点也有意义的,它就是共晶点。
Fe–Fe3C相图,作为《金属材料与热处理》这门课程的重点内容,究其原因除了它在生产实践中具有重大意义外,还有就是该相图与本课程其它很多内容都有关联。
有经验的教师会很好地利用该相图,使各相关的知识点得到很好的融会贯通,使得本课程成为一个有机的整体。
但在具体学习中,很多同学都不能很好地理解Fe–Fe3C相图,更不用说熟记该相图去分析铁碳合金的成份、组织与性能的关系了。
其主要原因除了本课程特有的抽象性外,在Fe–Fe3C相图的记忆上具体存在着三大难点:1、线条不规则。
2、数字多,既有温度的数字,又有含碳量的数字。
3、组织名称多。
所以,在学习中,学生经常出现“望图生畏”,而不愿去记忆该相图。
如何让学生轻松愉快地快速记下该相图呢?本人在多年教学实践中,总结出下面的心得体会:(下面以简化后的Fe–Fe3C相图为例,见附图3)具体画图时,分三步进行:第一步:先画出图内的线条,分出各个区域。
第二步:在纵、横坐标上标出相应的数字,分别代表温度及含碳量。
第三步:标出各区域对应组织的符号。
如何准确画出相图中的线条呢?下面以我的某次授课过程为例,说明其记忆方法:我先让同学们观察书中Fe–Fe3C相图,找出图中线条的特征,一段时间后,同学们还是找不出什么特征。
我在黑板上用彩色粉笔画出图中的ACD和ECF线以及GSE和PSK线,让同学们再观察这些线条,顺便提示,将铁碳合金相图比作一个海洋。
马上有同学回答:“象海鸥”,我紧跟着加以引导:“不错,我们的相图就象两只海鸥在海平面上展翅飞翔”,同学们马上报以愉快的笑声。
“不对!”笑后,还是有同学站起来纠正:“老师,你画的图漏画了AE线”。
“是啊!这AE线怎么办呢?”我继续引导。
“那是一条美丽的彩虹!”马上有同学补充,下面是伴随着一阵会心的笑声。
“是啊,多么美丽的彩虹,”我边说边将AE线画上。
“老师,还有三条铅垂方向的虚线呢?”观察仔细的同学还是发现存在的不足。
“那是海鸥在海平面上激起的三朵浪花。
铁碳合金相图口诀温度成分建坐标,铁碳二元要记牢。
三平三垂标特点,九星闪耀五弧交。
共晶共析液固线,十二面里组织标。
基本组织先标好,相间组织共逍遥。
分析成分断组织,锻造处理离不了。
温度成分建坐标,铁碳二元要记牢。
横坐标是成分,即碳的相对质量分数。
纵坐标是温度。
我们所研究的含碳量范围最多到6.69%,这是因为我们知道,含碳量为0~0.0218%是工业纯铁;0.0218%~2.11%是钢,而2.11%~6.69%是白口铁,含碳量再往上走一般在工业上应用得不多。
三平三垂标特点,九星闪耀五弧交。
平行和垂直都是相对于横坐标而言的。
三平包括:HJB包晶线、ECF共晶线和PSK共析线。
HJB包晶线是1495℃,此处发生包晶反应,由高温铁素体δ和液相L包晶反应生成奥氏体A。
ECF共晶线是1148℃,此处发生共晶反应,由液相L共同析出奥氏体A和渗碳体Fe3C。
由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称为莱氏体Ld,它是蜂窝状的,以Fe3C为基,硬而脆。
PSK共析线是727℃,此处发生共析反应,由奥氏体A反应生成铁素体F和渗碳体Fe3C。
由铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体P,两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。
三垂包括:S点,共析点,温度为727℃,含碳量是0.77%;E点,碳在奥氏体中的最大溶解度所在点,温度为1148℃,含碳量是2.11%;C点,共晶点,温度为1148℃,含碳量是4.3%。
沿着三个点作横轴的垂线,可以将大的相区分为更为细致的小相区。
实际上,还有一点PSK 共析线中的P,它是碳在铁素体中的最大溶解度所在点。
(此处的铁素体F,又写作α,区分于高温铁素体δ)。
九星为:A、D、E、C、F、P(即上文所提碳在低温铁素体中的最大固溶度所在点)、S、K、G(奥氏体向铁素体同素异构转变点)。
还有两点也要画出来:N点,它是高温铁素体向奥氏体转变点。
五弧为:ABCD,液相线;AHJECFD,固相线;GS,铁素体与奥氏体的固溶体转变线;ES,碳在奥氏体中的固溶线;PQ,碳在低温铁素体中的固溶线。
铁碳金相图教学方法之我见——口诀法和形象记忆法在金材教学中的尝试诸暨市技工学校——戚少利摘要:金属材料的热处理在机电专业中占有相当重要的地位,应用广泛,实用价值大,而铁碳金相图是金属材料中最常用的钢、铁热处理的理论依据。
本文中着重概述了如何在课堂教学过程中用的口诀法和形象记忆法快捷地记住铁碳金相图,并有效地分析各种状态下铁碳合金的力学性能,。
教学的步骤为:钢铁成分构成及物理性能和特点分析金相图主要特征点及特征线物理含义分析金相图中各项内容的巧记铁碳合金的结晶和析出过程中结构的变化。
主要的教学思路是在巧妙地记住状态图的基础上再展开分析,从而达到学生真正理解和掌握铁碳金相图的目的;同时对上述教学方法进行了教学评估,从而证明了这种教学方法可行性和有效性。
关键词:金相结构及物理性能铁碳金相图特征点、特征线铁碳金相图的巧记口诀法形象记忆法正文:《金属材料与热处理》中的工艺、技术在机械行业中占有相当重要的地位,但和其它课程相比相对来讲较为枯燥乏味,偏重于要学生死记硬背,学生难学懂学会,因此,如何教会学生使用巧妙的记忆法,且能激发学生的学习积极性,使学生在理解的基础上灵活有效地记忆并掌握本课程内容是值得研究探讨的问题。
铁碳状态图是本课程教学中的重中之重,是常用金属材料—钢、铁热处理的理论依据,它涉及的内容多,而学生的化学基础又比较薄弱,理解困难,不易熟记,教学过程困难重重。
笔者在教学过程中试用口诀法、形象记忆法教学进行尝试,分以下几个步骤进行,并收到了良好的教学效果,供同行参考:一、理解和掌握钢铁成分的构成及物理性能和特点。
学习本内容之前首先要对金属的同素异构转变情况作一复习回顾,掌握纯铁的几种晶格结构特点,在此基础上分析铁碳结构的构成及特点。
铁碳合金的基本组织由铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体构成,可用口诀的方法要学生背诵记忆:铁素体、体心格、含碳量、少又少、塑而韧。
奥氏体、面心格、溶碳性、比较强、塑性好。
铁碳相图知识化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite),是一种亚稳定的化合物,在一定条件下可以分解为Fe和C,C原子聚集到一起就是石墨。
因此,铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图(图1)。
Fe-Fe3C相图主要用于钢,而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。
铁具有异晶转变,即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。
纯铁的同素异晶转变如下:由于Fe的晶体结构不同,C在Fe中的溶解度差别较大。
碳在面心立方(FCC)的γ-Fe 中的最大溶解度为2.11%,而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。
纯铁纯铁的熔点1538℃,固态下具有同素异晶转变:912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构,912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。
工业纯铁的显微组织见图2。
图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织铁的固溶体碳溶解于α-Fe和δ-Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite),用α、δ或F表示, 由于δ-Fe是高温相,因此也称为高温铁素体。
铁素体的含碳量非常低(室温下含碳仅为0.005%),所以其性能与纯铁相似:硬度(HB50~80)低,塑性(延伸率δ为30%~50%)高。
铁素体的显微组织与工业纯铁相同(图2)碳溶解于γ-Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite),用γ或A表示。
具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳,1148℃时最多可以溶解2.11%的碳,到727℃时含碳量降到0.8%。
奥氏体的硬度(HB170~220)较低,塑性(延伸率δ为40%~50%)高。
奥氏体的显微组织见图3,图4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。
图4 碳在γ-Fe晶格中的位置图5 渗碳体的晶格渗碳体(Fe3C)渗碳体是铁和碳形成的化合物,含碳量为6.67%(有些书上为6.69%),具有复杂的晶体结构(图5),熔点为1227℃。
2009年全国技工教育和职业培训优秀教研成果评选活动参评论文快速绘制铁碳合金简图快速绘制铁碳合金简图[摘要]《金属材料与热处理》是职业院校的一门专业基础课,而Fe—Fe3C简图是这门课的重点和难点,对于初学者来讲识记和绘制Fe—Fe3C 简图则是难上加难,本文针对此介绍一种较简单的识记和绘制Fe—Fe3C 简图的方法。
[关键词] Fe—Fe3C简图识记绘制技巧在从事技工学校《金属材料与热处理》(全国中等职业技术学校机械类专业通用教材)课程近十年的教学过程中,发现大部分同学对Fe—Fe3C简图的识记和绘制比较困难,经过长期不断教学的积累,总结出了Fe—Fe3C 简图的识记和绘制技巧,仅供同仁参考。
1.Fe—Fe3C简图2.Fe—Fe3C简图的识记技巧要求:先记住相图中各点、线的含义1)点的含义A点——纯铁的熔点;C点——共晶点;D点——渗碳体的熔点;E点——碳在奥氏体中溶解度最大点;G点——奥氏体向铁素体转变的开始点(或铁素体向奥氏体转变的终了点);S点——共析点。
2)线的含义ACD线——液相线;AECF线——固相线;ECF线——共晶线;ES线——碳在奥氏体中溶解度曲线;GS线——奥氏体向铁素体转变的开始线(或铁素体向奥氏体转变的终了线);PSK线——共析线。
3)组织识记技巧死记部分①液相线(ACD线)以上的组织为液体(L);②AGSE四边形区域内的组织为奥氏体(A);③共析线(PSK线)以上727℃~1148℃之间的组织为Ld(来氏体);技巧部分④DFK垂线上组织为Fe3C(横坐标上已标出);⑤奥氏体(A)过GS线(奥氏体向铁素体转变开始线)析出铁素体(F),变成A+F组织;⑥奥氏体(A)过ES线(奥氏体中碳的溶解度曲线)析出Fe3C(渗碳体),变成A+Fe3C组织;⑦PSK线以上两组织的过渡区为两者的混合物,如:AEC区域组织为L+A,CDF区域组织为L+ Fe3C,EC线下方区域组织为为A+Ld+Fe3C,CFK 区域组织为为Ld+Fe3C;⑧PSK线以下区域组织识记规则:A(奥氏体)过PSK线变成P,Ld(来氏体)过PSK线变成Ld’,其它组织不变。
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δ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,δ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Fe3C III。
7点以下,随温度下降,Fe3C III量不断增加,室温下Fe3C III的最大量为:%31.0%1000008.069.60008.00218.03=⨯--=ⅢCFeQ。
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α+Fe3C III,如图3-28所示,图中个别部位的双晶界内是Fe3C 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0.53%,因此冷却时不发生包晶转变,其结晶过程及组织转变示于图3 - 29。
铁碳相图和铁碳合金(一)钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料,虽然它们的种类很多,成分不一,但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素。
因此,学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。
Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。
所以,Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC 和FeC-C四个部分。
由于化合物是硬脆相,后面三部分相图实际上没有应用价值(工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5%),因此,通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。
化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite),是一种亚稳定的化合物,在一定条件下可以分解为Fe和C,C原子聚集到一起就是石墨。
因此,铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图(图1)。
Fe-Fe3C相图主要用于钢,而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。
这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图,Fe-石墨相图与此类似,只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。
图1 铁碳双重相图【说明】图1中虚线表示Fe-石墨相图,没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。
铁具有异晶转变,即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。
纯铁的同素异晶转变如下:由于Fe的晶体结构不同,C在Fe中的溶解度差别较大。
碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%,而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。
纯铁纯铁的熔点1538℃,固态下具有同素异晶转变:912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构,912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。
工业纯铁的显微组织见图2。
图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织铁的固溶体碳溶解于α-Fe和δ-Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite),用α、δ或F表示, 由于δ-Fe是高温相,因此也称为高温铁素体。
Fe–Fe3C相图,作为《金属材料与热处理》这门课程的重点内容,究其原因除了它在生产实践中具有重大意义外,还有就是该相图与本课程其它很多内容都有关联。
有经验的教师会很好地利用该相图,使各相关的知识点得到很好的融会贯通,使得本课程成为一个有机的整体。
但在具体学习中,很多同学都不能很好地理解Fe–Fe3C相图,更不用说熟记该相图去分析铁碳合金的成份、组织与性能的关系了。
其主要原因除了本课程特有的抽象性外,在Fe–Fe3C相图的记忆上具体存在着三大难点:
1、线条不规则。
2、数字多,既有温度的数字,又有含碳量的数字。
3、组织名称多。
所以,在学习中,学生经常出现“望图生畏”,而不愿去记忆该相图。
如何让学生轻松愉快地快速记下该相图呢?本人在多年教学实践中,总结出下面的心得体会:(下面以简化后的Fe–Fe3C相图为例,见附图3)具体画图时,分三步进行:
第一步:先画出图内的线条,分出各个区域。
第二步:在纵、横坐标上标出相应的数字,分别代表温度及含碳量。
第三步:标出各区域对应组织的符号。
如何准确画出相图中的线条呢?下面以我的某次授课过程为例,说明其记忆方法:
我先让同学们观察书中Fe–Fe3C相图,找出图中线条的特征,一段时间后,同学们还是找不出什么特征。
我在黑板上用彩色粉笔画出图中的
ACD和ECF线以及GSE和PSK线,让同学们再观察这些线条,顺便提示,将铁碳合金相图比作一个海洋。
马上有同学回答:“象海鸥”,我紧跟着
加以引导:“不错,我们的相图就象两只海鸥在海平面上展翅飞翔”,同学们马上报以愉快的笑声。
“不对!”笑后,还是有同学站起来纠正:“老师,你画
的图漏画了AE线”。
“是啊!这AE线怎么办呢?”我继续引导。
“那是一条美丽的彩虹!”马上有同学补充,下面是伴随着一阵会心的笑声。
“是啊,多么
美丽的彩虹,”我边说边将AE线画上。
“老师,还有三条铅垂方向的虚线呢?”观察仔细的同学还是发现存在的不足。
“那是海鸥在海平面上激起的三朵
浪花。
”另一同学的回答,马上博得了同学们热烈的掌声。
我将图线补充完后,对着所画的图引导同学们一起来总结:“是啊,两只海鸥在海平面上展翅飞翔,在一条彩虹的映照下,我们看见了三朵美丽的浪花,多美丽的图画呀!”紧跟着,我趁热打铁,让同学们按照刚才的思路,默写Fe–Fe3C相图的
线条。
就这样,在轻松愉快的课堂气氛中,原本较难记忆的相图线条的大概形状还是深深的印在了同学们的脑海中了。
图的形状画出来了,这么多的数字又如何记呢?我主要采用激励法,激发学生记忆的潜能,让学生将数字死记下来。
当时我反问学生:“相图中最长的数字有多少位?难记吗?”同学们都反映,最长的一组数字为4位,一组数字不难记,但相图中有很多组数字要记,所以就比较难了。
为此,我举例说:“大家家里的电话号码有七位数之多,爸爸、妈妈的手机号码不也都超过七位数吗?还在很多好朋友家的电
话号码我们不用翻号码本也都能记得,为什么能记下来呢?原因就在于我们用心去记了。
现在就让我们将图中的这几组数字当作我们的好朋友家的
电话号码,大家用心去记它。
”同学们受到启发, 马上都静下心来,先口头复述了几遍,再在纸上进行默写,很快,大家都能记下来了,然后,再让同学们按照从小到大的顺序分别标到相图中相应的位置。
相图的图线形状及有关数字都记下来了,剩下的就是在相图相应区域标出对应组织的符号。
这是相图记忆的最大难点了。
为了能快速、准确地书写各组织名称,在画图前应先复习前面有关组织变换的关系,为此,列出下面简图配合讲解:(图1) (图1) 以上简图为铁碳合金金属液从高温向低温冷却过程中,其内部组织的转变过程图,授课时边讲解该图边向Fe –Fe 3C 填写相应的组织符号,具体授
课过程举例如下:(注:为表达方便,将相图划分为12个区,如附图2)
O L P
1538
0.77 2.11 4.3Fe C 31227Fe
(图2)因为铁碳合金加热到一定的高温状态时,即全部为液态,故在该图最高温区域⑴区标上L (液相),另参照图1知,金属液冷却至一定温度后,液相组织L 会转变成A 、Fe 3C 及L d ,又奥氏体的含碳量较Fe 3C 的为低,故在⑶区、⑷区分别填上A 和Fe 3C ,在C –4.3虚线上方填上L d , 再因金属液在冷却过程中,其内部组织的转变是逐渐进行的,即在一定温度范围内会先出现新、旧组织并存最后再过渡到新组织的现象,为此,⑶区、⑷区应还
保留着液相组织L ,故在⑶区、⑷区上加标L ,在⑵区标上A (奥氏体)。
同理,随着金属液继续冷却,相图由上往下填写组织名称。
⑸、⑺、⑾区标上
A (奥氏体),⑼区标上Fe 3C 。
接着参照图1组织转变关系图,可知奥氏体将转变成珠光体(P ),铁素体(F ),渗碳体(Fe 3C ), 因F 的含碳量较Fe 3C 的为低,故在⑸区加标
F ,⑺区加标Fe 3C ,⑾区加标Fe 3C 。
又因L (液相)组织冷却至1148o C 后会
转变成为L d,故在⑾区,⑼区分别加标L d。
再参照图1 可知,金属液冷却至727o C以后A发生共析反应转变为P,故在⑹、⑻、⑿区都分别标上P,另L d也转变为L'd,故在C–4.3虚线的下方及⑿区、⑽区分别标上L'd。
根据前面所述冷却过程中组织逐渐过渡的原则,在⑹区补标上
F,⑻、⑽、⑿区标上Fe3C。
最后,为与液相中直接析出的Fe3C相区别,特将A中析出的Fe3C称为Fe3CⅡ。
故⑷、⑼、⑽区的Fe3C全改为Fe3CⅠ,将⑺、⑻、⑾、⑿区中所有的Fe3C改为Fe3CⅡ。
至此,相图中所有组织符号填写完毕。
(见附图3)
(图3
)
1538
0.77 2.11 4.3
Fe C
3
1227 Fe
K
F
需要指出的是,要很好地填写完相图各组织名称,必须先掌握好图1各组织转变关系,为此,授课时,应对图1讲解透彻,并让学生默写,这样,在填写相图各组织名称时,才会得心应手。
总的来说,认真理顺好铁碳合金在冷却过程中组织转变关系,加上形象比喻记忆线条特征,是可以达到快速熟记Fe–Fe3C相图的目地的。
本人在多年教学实践中,一直采用此法,学生在熟记Fe–Fe3C相图上都倍感轻松,绝大多数同学都能默写出Fe–Fe3C相图。