4.1 铁碳合金相图（课件）《金属材料与热处理》上好课（科学版·第二版）

《金属材料与热处理》（科学版)第二版 上好课—中职专业课 单元4 铁碳合金 4.1 铁碳合金相图 教学目标 知识目标 1.记住6个主要特性点（A、C、D、E、G、S）的温度、含碳量和含义。 2.说出6条特性线（ACD、AECF、GS、ES、ECF、PSK）的名称和含义。 3.记住三个关键转变温度：1148℃（共晶转变）、727℃（共析转变）、912℃（同素异构转变）。 能力目标 1.能根据相图判断不同含碳量的铁碳合金在不同温度下的组织状态。 2.能根据含碳量判断铁碳合金的类别及室温组织。 3.能说出共晶转变和共析转变的表达式及产物。 情感目标 1.感受铁碳合金相图在钢铁材料研究和热处理工艺制定中的“地图”作用，体会工具性知识的重要性。 2.培养分析图形、解读信息的能力，增强学习信心。 1.7.2013 ‹#› 教学引入 碳钢齿轮 铸铁发动机缸体 纯铁电磁铁芯 这些材料含碳量相同吗？ 不同含碳量的铁碳合金室温组织有什么不同？ 如何系统描述组织随成分和温度的变化规律？ 1.7.2013 同学们请看大屏幕，这就是我们今天要学习的主角——牛头刨床。大家可以看到，它正在对一个工件进行加工。请大家思考一下，这种加工方式和我们之前学的车削有什么区别？它主要用来加工什么样的表面呢？带着这些问题，我们正式进入今天的课程。 ‹#› 知识讲授：铁碳合金相图 如果说材料科学是一座宝藏，那么Fe-Fe₃C相图就是指引我们挖掘宝藏的“藏宝图”，为钢铁材料的研究和应用提供了理论基石。 揭示“成分-温度-组织”的内在联系：系统展示铁碳合金在缓慢加热或冷却时，成分和温度如何共同决定内部组织的转变规律。 指导材料的选择与加工工艺：为钢铁的熔炼、铸造、热处理等工艺制定提供科学依据，助力优化产品性能。 知识讲授：铁碳合金相图 知识讲授：什么是铁碳合金相图 核心定义：成分-温度-组织的状态映射 铁碳合金相图是一张状态图，它精确描绘了在极缓慢的冷却（或加热）条件下，不同成分的铁碳合金，其内部状态或组织随温度变化的客观规律，揭示了合金成分、温度与显微组织之间的内在联系。 重要意义：钢铁研究与工艺的基石 它不仅是研究钢铁材料组织与性能关系的理论基础，更是我们制定铸造、锻造、热处理等各类热加工工艺，以及合理选用钢铁材料的重要科学依据。 知识讲授：“简化版”相图 工业生产的实际选材依据 在工业制造中，我们主要使用含碳量低于5%的铁碳合金。因此，教材和工程实践中普遍采用简化后的Fe-Fe₃C相图，足以覆盖绝大多数钢铁材料的应用场景。 聚焦 0% 至 6.69% 的含碳量区间 6.69%是渗碳体（Fe₃C）的理论含碳量，超过该数值的合金脆性极大，无实际工业使用价值。简化相图剔除次要区域，让核心相变规律更清晰直观。 知识讲授：相图的“语言”：坐标系 铁碳合金相图的坐标系是理解其核心逻辑的基础，通过两个坐标轴的定义，我们可以精准定位合金在不同状态下的成分与温度条件。 01. 纵坐标：温度 以摄氏度（℃）为单位，数值沿纵轴向上递增，代表铁碳合金所处的环境温度，是判断合金相变的关键热力参数。 02. 横坐标：碳的质量分数 以百分比（%）为单位，数值沿横轴向右递增，表示合金中碳元素的含量，决定了铁碳合金的基本类别与性能走向。 知识讲授：特性点：相图的“地标” 相图上分布着许多关键的“地标”，即特性点。它们代表相变发生的特定温度和成分，是分析合金状态变化、组织转变的核心依据。 核心掌握：关键特性点 A(纯铁熔点) C(共晶点) D(渗碳体熔点) E(碳在γ-Fe中最大溶解度) G(同素异构点) S(共析转变点) 知识讲授：特性点：A点 & G点 A点 (1538℃) 纯铁的熔点，也是铁-碳相图中液相与固相的关键分界点，是钢铁冶炼的核心温度节点。在工业生产中，这是高炉炼铁和转炉炼钢的重要参考温度。 G点 (912℃) 纯铁的同素异构转变点，铁的晶体结构会发生质变，这是钢铁热处理的理论基石，赋予了钢铁通过热处理改变力学性能的可能。 总结：A点定义了铁的物态边界，G点揭示了铁的结构潜能，二者共同构成了理解铁碳合金相变规律的基础坐标。 知识讲授：特性点：C点（共晶点） C点 (1148℃, wC=4.3%) 是铁碳合金相图中至关重要的共晶点，是液相能够直接转变为固相混合物的关键温度与成分节点。 共晶转变：当含碳量为4.3%的合金冷却至1148℃时，液相(L)会在恒温下直接转变为奥氏体(A)和渗碳体(Fe₃C)的细密机械混合物，是典型的恒温转变过程。 该转变产物硬度高、脆性大，在工业上常被用于制造需要高耐磨性能的零部件。 知识讲授：特性点：E点 关键参数：1148℃，wC=2.11% 在1148℃高温下，碳在奥氏体晶格中达到溶解极限，是热力学平衡下的固溶最大值。 奥氏体的“溶解天花板” 奥氏体最多容纳2.11%的碳，超量碳将以渗碳体形式析出，改变合金组织结构。 钢与铸铁的重要分界标志 E点是区分亚共晶白口铸铁和过共析钢的依据，决定材料热处理工艺与力学性能。 知识讲授：特性点：S点（共析点） 核心临界参数 S点是铁碳相图中至关重要的平衡临界点，其温度为727℃，对应的含碳量为0.77%，是奥氏体发生共析转变的特定温度点。 共析转变与珠光体(P)形成 奥氏体缓冷至727℃时，会析出铁素体与渗碳体，形成细密层片状的珠光体(P)。显微镜下其呈黑白相间层片状结构，赋予钢材良好综合力学性能。 知识讲授：特性点：D点 1227℃ / wC = 6.69% D点是渗碳体（Fe₃C）的熔点，代表了铁碳合金中碳含量的理论上限，是铁与渗碳体的共晶反应的一个关键参考点。 硬脆化合物与相图边界 渗碳体是一种硬而脆的金属化合物，几乎没有塑性。D点也定义了简化铁碳相图的最右边界，因为实际工业用钢和铸铁的含碳量都远低于6.69%。 图示为显微镜下的渗碳体组织金相图（×400），可见白色网状分布的渗碳体，其高硬度特性是许多合金材料获得高强度的关键。 知识讲授：特性点总结 A点 (1538℃, 0%)：纯铁的熔点，是铁由液态转变为固态的临界温度点。 G点 (912℃, 0%)：纯铁的同素异构转变点，δ-Fe 转变为 γ-Fe 的温度。 C点 (1148℃, 4.3%)：共晶点，液相在此温度同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶组织（莱氏体）。 E点 (1148℃, 2.11%)：碳在奥氏体（γ-Fe）中的最大溶解度点，是区分亚共晶与过共晶白口铸铁的分界。 S点 (727℃, 0.77%)：共析点，奥氏体在此温度转变为铁素体和渗碳体的共析组织（珠光体）。 D点 (1227℃, 6.69%)：渗碳体（Fe₃C）的熔点，是铁碳合金相图中碳含量的最大值点。 图示为简化的铁-碳合金相图，清晰标注了合金相变的关键温度与碳含量节点，是理解钢铁组织转变的核心依据。 知识讲授：特性线：相图的“道路” 连接特性点的线，我们称之为特性线。它们如同相图中的“道路”，不仅划分了相图中性质截然不同的区域，更精准地代表着相变开始或结束的临界温度。 在铁碳合金相图中，我们重点需要掌握和理解的主要特性线共有6条，它们是分析合金结晶过程与组织转变的关键依据。 核心认知：特性线是相变发生的“临界线”，界定了不同相区的范围，是解读相图的核心逻辑。 知识讲授：特性线：液相线与固相线 ACD线 (液相线) 这条线以上的区域全为液相(L)。当合金冷却到此线时，开始结晶析出固相。它是液相存在的最高温度线，标志着凝固过程的起始点。 AECF线 (固相线) 这条线以下的区域全为固相。当合金冷却到此线时，结晶过程全部结束。它是固相存在的最低温度线，标志着凝固过程的终止点，此时合金完全转变为固体状态。 知识讲授：特性线：GS线 (A₃线) 图示为铁碳合金相图的关键区域，GS线（A₃线）是区分奥氏体单相区与奥氏体+铁素体双相区的重要分界线。 GS线（A₃线）是相变起始的关键界线，是在缓慢冷却过程中从奥氏体（A）相中开始析出铁素体（F）的转变起始线。 该线是亚共析钢的核心转变规律，仅适用于含碳量小于0.77%的亚共析钢，温度降至其下时奥氏体含碳量将沿此线变化并析出铁素体。 GS线也是热处理工艺的重要依据，是确定亚共析钢淬火、正火等热处理加热温度的关键参考。 知识讲授：特性线：ES线 (Acm线) 核心定义：奥氏体的溶碳极限 ES线（Acm线）是碳在奥氏体中的溶解度曲线，表征不同温度下奥氏体稳定溶解的最大含碳量。 温度效应与二次渗碳体析出 随温度下降，奥氏体溶碳能力降低。过共析钢冷却至ES线以下时，过饱和碳以二次渗碳体(Fe₃CⅡ)形态沿奥氏体晶界析出。 关键点 二次渗碳体的网状分布会显著增加钢的脆性，降低韧性和可加工性，需通过正火工艺消除。 知识讲授：特性线：ECF线 (共晶线) 核心参数与转变 温度：1148℃，ECF线是铁碳合金发生共晶转变的恒定温度线。 成分范围：2.11%~6.69%，此区间内的合金冷却至共晶温度时，剩余液相均参与共晶转变。 转变公式：L → A + Fe₃C，液相结晶出奥氏体与渗碳体的机械混合物“莱氏体”。 重要意义：共晶转变是铸铁凝固的核心反应，决定了亚共晶、共晶及过共晶铸铁的基本组织形态。 特性线：PSK线 (共析线/A₁线) 恒定的临界温度：727℃ PSK线是固定的水平线，代表铁碳合金共析转变的临界温度，是区分高温与常温组织的重要界限。 奥氏体的共析分解：A → F + Fe₃C 合金冷却至此温度时，奥氏体将析出铁素体和渗碳体，形成层片状珠光体组织。 热处理工艺的核心基准 PSK线是退火、正火、淬火等工艺的关键参考，决定钢材加热冷却区间，对性能起决定作用。 知识讲授：共晶点共析点 知识讲授：铁碳合金分类 一、分类依据 铁碳合金按含碳量（wC）的不同分为三大类：工业纯铁、钢和白口铸铁。 二、室温组织变化规律 从工业纯铁到白口铸铁，随着含碳量不断增加，组织中渗碳体的含量逐渐增多。铁素体（F）是最软的组织，渗碳体（Fe₃C）是最硬最脆的组织。因此，随着含碳量升高，铁碳合金的硬度不断提高、塑性不断下降。 工业纯铁→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 组织变化：F→F+P→P→P+Fe₃CⅡ→P+Fe₃CⅡ+Ld'→Ld'→Fe₃CⅠ+Ld' 知识讲授：工业纯铁 定义 含碳量小于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁。工业纯铁实际上是含碳量极低的铁碳合金，碳在铁中完全以固溶形式存在。 室温组织 工业纯铁的室温组织为铁素体（F）。 主要应用 工业纯铁主要用于对力学性能要求不高但对电磁性能有要求的场合，如电磁铁芯、电磁仪表铁芯、电工材料等。由于纯铁价格较高且强度太低，在机械结构中很少直接使用。 知识讲授：钢的分类与亚共析钢 （一）亚共析钢 含碳量范围 0.0218% ≤ wC < 0.77%。即含碳量大于工业纯铁、小于共析成分（0.77%）的钢。 室温组织 亚共析钢的室温组织为铁素体+珠光体（F+P）。随着含碳量增加，组织中珠光体的比例逐渐增大，铁素体的比例逐渐减小。含碳量接近0.77%时，组织以珠光体为主。 典型应用 低碳钢用于建筑结构、桥梁、铆焊件等；中碳钢用于制造齿轮、轴、连杆等机械零件。 钢（0.0218%≤wC≤2.11%），钢是铁碳合金中应用最广泛的一类，根据含碳量和室温组织的不同，可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢三种。 知识讲授：共析钢 含碳量 wC = 0.77%。这是钢中含碳量的一个“分界点”，是亚共析钢和过共析钢的分界线。 共析转变 奥氏体（A）在727℃时发生共析转变，同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，即珠光体。共析转变表达式为： A₀.₇₇% → F₀.₀₂₁₈% + Fe₃C 共析转变的特点是：一个固相（奥氏体）在恒温下同时析出两个固相（铁素体+渗碳体）。 室温组织 共析钢的室温组织为珠光体（P）。珠光体是铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相组织，因其显微组织形态酷似珍珠贝母外壳形纹，故称珠光体。 知识讲授：过共析钢 含碳量范围 0.77% < wC ≤ 2.11%。含碳量超过共析成分（0.77%）但小于碳在奥氏体中的最大溶解度（2.11%）。 室温组织 过共析钢的室温组织为珠光体+二次渗碳体（P+Fe₃CⅡ）。二次渗碳体呈网状分布在珠光体的晶界上。 典型应用 过共析钢用于制造弹簧、刀具、量具、模具等要求高硬度和耐磨性的零件。 白口铸铁分类和亚共晶白口铸铁 （一）亚共晶白口铸铁 含碳量： 2.11% ≤ wC < 4.3% 室温组织： 珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体（P+Fe₃CⅡ+Ld'）。组织中既有从奥氏体转变来的珠光体，也有从奥氏体中析出的二次渗碳体，还有共晶转变形成的莱氏体。 性能特点： 硬度高、脆性大、耐磨性较好。 主要用途： 制造耐磨零件，如轧辊、磨球、衬板等。 白口铸铁（2.11%<wC≤6.69%），白口铸铁含碳量高，组织中渗碳体含量多，断口呈亮白色，故称白口铸铁。根据含碳量和室温组织的不同，可分为亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁三种。 知识讲授：共晶白口铸铁 含碳量： wC = 4.3% 室温组织： 低温莱氏体（Ld'）。莱氏体的基体是硬而脆的渗碳体（连续分布），渗碳体基体上分布着颗粒状的珠光体。 共晶转变： L₄.₃% → A+Fe₃C（1148℃）。共晶转变的特点是：一个液相在恒温下同时结晶出两个固相（奥氏体+渗碳体）。 性能特点： 硬度极高、塑性极差、很脆。 知识讲授：过共晶白口铸铁 含碳量： 4.3% ≤ wC ≤ 6.69% 室温组织： 一次渗碳体+低温莱氏体（Fe₃CⅠ+Ld'）。含碳量超过4.3%时，在共晶转变之前先结晶出粗大的、片状的一次渗碳体（Fe₃CⅠ），然后剩余的液相发生共晶转变形成莱氏体。 性能特点： 硬度高、脆性大、耐磨性好，一次渗碳体粗大，脆性很大。 主要用途： 要求极高耐磨性的零件。 知识点背诵 一、 六个关键点：A纯铁熔点、C共晶点、D渗碳体、E最大溶碳、G同素异构、S共析点。 二、六个关键线：ACD液相线、AECF固相线、GS（A₃）、ES（Acm）、ECF共晶线、PSK（A₁）共析线。 三、三大类七种合金室温组织：工业纯铁（F）→亚共析钢（F+P）→共析钢（P）→过共析钢（P+Fe₃CⅡ）→亚共晶白口铸铁（P+Fe₃CⅡ+Ld'）→共晶白口铸铁（Ld'）→过共晶白口铸铁（Fe₃CⅠ+Ld'）。 1.7.2013 好了，我们来总结一下今天的重点知识。刨床分牛头和龙门；刨削能加工各种平面和沟槽；刨刀有弯颈、直杆、偏刀和成型刀四种主要类型。这些都是必须掌握的核心内容。 ‹#› 师生互动一 降低正弦量计算门槛，提升效率 属于亚共析钢（含碳量在0.0218%~0.77%之间）。 问题 某铁碳合金含碳量为0.45%， 请判断它属于哪一类铁碳合金？ 其室温组织是什么？ 结论 室温组织为铁素体+珠光体（F+P）。 结论 1.7.2013 ‹#› 师生互动二 降低正弦量计算门槛，提升效率 属于亚共晶白口铸铁（含碳量在2.11%~4.3%之间）。 问题 某铁碳合金含碳量为3.0%，请判断它属于哪一类铁碳合金？其室温组织是什么？ 结论 室温组织为珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体（P+Fe₃CⅡ+Ld'）。 结论 1.7.2013 ‹#› 师生互动三 降低正弦量计算门槛，提升效率 属于共析钢。 室温组织为珠光体（P）。 问题 某铁碳合金含碳量为0.77%，请判断它属于哪一类铁碳合金？其室温组织是什么？ 说明该合金的共析转变过程。 结论 共析转变过程：奥氏体（A）在727℃时发生共析转变，同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，即珠光体。转变表达式为：A₀.₇₇% → F₀.₀₂₁₈% + Fe₃C。 结论 1.7.2013 ‹#› 单项选择题 1.Fe-Fe₃C相图中，GS线（A₃线）表示的意义是（ 　） A．冷却时从奥氏体中析出铁素体的开始线 B．冷却时从奥氏体中析出二次渗碳体的开始线 C．液相结晶结束的固相线 D．共析转变线 正确答案：A GS线又称A₃线，是冷却时从奥氏体中开始析出铁素体的特性线，对确定亚共析钢的锻造和热处理加热温度具有重要参考意义。 课后练习 1.7.2013 现在我们来做几道练习题巩固一下。第一题，主要用于加工大型工件的刨床是什么？A还是B？对，是B，龙门刨床。 ‹#› 单项选择题 2.铁碳合金中，奥氏体区与铁素体区的分界线为（ 　） A．ES线 B．ECF线 C．GS线 D．PSK线 正确答案：C GS线将奥氏体区（AESGA）与奥氏体+铁素体两相区（GSP）分开，是奥氏体开始转变为铁素体的界线。 课后练习 1.7.2013 第二题，为了防止扎刀，精加工用哪种刨刀？没错，是弯颈刨刀，选B。 ‹#› 单项选择题 3.Fe-Fe₃C相图中A点的温度和含碳量分别为（　 ） A．912℃，0% B．1148℃，4.3% C．1538℃，0% D．1227℃，6.69% 正确答案：C A点为纯铁的熔点，温度为1538℃，含碳量为0%。 课后练习 1.7.2013 ‹#› 简述Fe-Fe₃C相图中PSK线（共析线）和ECF线（共晶线）的本质区别，并分别写出其转变式。 课后练习 共晶线与共析线的本质区别在于转变对象的物态不同： （1）ECF线（共晶线，1148℃）是液相→固相的转变。转变式为L₄.₃→A₂.₁₁+Fe₃C，产物为莱氏体（Ld）。涉及液相参与。 （2）PSK线（共析线，A₁线，727℃）是固相→固相的转变。转变式为A₀.₇₇→F₀.₀₂₁₈+Fe₃C，产物为珠光体（P）。全过程在固态下完成。 1.7.2013 最后是一道简答题，请大家简述刨削加工的工艺特点。大家可以从切削工况、成本、效率、应用和精度这几个方面来回答，把我们刚才总结的内容写出来就可以了。 ‹#› 课堂小结 1. 背诵：六个关键点（A、C、D、E、G、S）的名称和数据；六个关键线的名称；三大类七种合金的室温组织。 2. 简答：什么是共晶转变？什么是共析转变？两者有何区别？ 课后作业 1.7.2013 这是今天的课后作业。基础题帮助大家巩固记忆，巩固题要求大家对比两种刨床的核心区别，预习任务是为下节课做准备。请大家认真完成。 ‹#› 感谢观看 $