鐵碳合金教案

1、第三章 鐵碳合金§31 合金及其組織教學過程一、復習提問：金屬的概念、常用金屬二、新課教學：合金的基本概念合金的組織三、課后小結(jié)：比較各類合金組織四、作業(yè)安排：練習冊P10，一、1-5；二、1-3；三、1-3五、板書設計（見下頁）：六、教學后記：第三章 鐵碳合金合金組成：金屬+金屬，金屬+非金屬；(metal+nonmetal)元素比例：可以調(diào)整，得到不同性能；性能：物理、化學、力學、工藝、熱處理性能。 §31 合金及其組織1、 組元：組成合金的最基本的獨立物質(zhì)，按組成元素的種類分為二元合金、三元合金和多元合金。例：碳素鋼由Fe、C、Si、Mn、S、P組成，稱鐵碳合金, 多

2、元合金；黃銅由Cu、Zn組成，稱二元合金；鋁由Al、Cu、Mg組成，稱三元合金。 2、相：合金中成分、結(jié)構(gòu)及性能相同的組成部分為相，相與相之間以界面分開，固態(tài)相有統(tǒng)一的晶格類型，是組元間的關(guān)系。3、組織：數(shù)量、形態(tài)、大小和分布方式不同的各種相組成合金組織，是相之間的關(guān)系。 組織不同,性能不同。 液相:無晶格 單相組織 固溶體 固相 單晶格 金屬化合物多相組織：混合物 （多種晶格）單相組織：一種晶格單晶體：一個晶粒一、合金的基本概念1、液相組織：液態(tài)時，合金的組元相互溶解，形成均勻的液溶體。2、固相組織：固態(tài)時，由于合金各組元之間相互作用不同，原子結(jié)合力不同，可出現(xiàn)固溶體、金屬化合物、機械混合物

3、。二、合金的組織1、固溶體定義：一種組元溶入另一組元的晶格中形成的均勻固相。屬性：單相組織，顯微鏡下可觀察到晶界。溶劑：基體組元，保持自身晶格類型，溶解其它組元。溶質(zhì)：溶入溶劑的組元，自身晶格消失。例如：鐵碳合金中鐵為溶劑，碳為溶質(zhì)。分類： 間隙固溶體(有限)按溶質(zhì)與溶劑原子相對位置分： 置換固溶體(無限) 有限固溶體按溶解度分： 無限固溶體間隙固溶體溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格中而形成的固溶體。由于溶劑晶格的間隙尺寸很小，故溶質(zhì)原子半徑小于1埃，且形成有限固溶體。例如：鐵碳合金。置換固溶體溶質(zhì)原子置換了溶劑晶格結(jié)點上某些原子而形成的固溶體。溶質(zhì)與溶劑的原子半徑差別小、晶格類型相同、電子結(jié)構(gòu)相似、元

4、素周期表中位置近，則形成無限固溶體。反之，形成有限固溶體。例如：黃銅是鋅溶入銅形成的置換固溶體。固溶體性能：固溶強化在固溶體中，由于溶質(zhì)原子的溶入，使溶劑晶格畸變，合金對塑性變形的抗力增加，使金屬材料強度、硬度升高，此現(xiàn)象為固溶強化。表3-1 小結(jié)：強化金屬材料的方法：名稱形變強化固溶強化相變強化原因空位、間隙原子、置換原子；位錯、晶界、亞晶界。溶入合金元素，形成固溶體細化晶粒熱處理結(jié)果晶格畸變?nèi)軇┚Ц窕兙Я?、晶界晶格改變變形抗力變形抗力變形抗力變形抗力變?、金屬化合物定義-在合金中，當溶質(zhì)含量超過固溶體的溶解度時，除可形成固溶體外，還將出現(xiàn)新的相，其晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元，而是組元之間相

5、互作用形成一種具有金屬特性的物質(zhì)。 屬性：單相組織，顯微鏡下可觀察到晶界。晶格：金屬化合物的晶格不同于任一組元，一般具有復雜晶格。性能：熔點高，硬度高，脆性大，耐磨性高。3、混合物定義：兩種或兩種以上的相按一定質(zhì)量百分比組成的物質(zhì)為混合物。屬性：多相組織，顯微鏡下可觀察到多種相。晶格：各相保持自身原來晶格。性能：取決于各組成相的大小、形態(tài)和分布。三、比較各類合金組織：表3-2項目固溶體金屬化合物混合物晶格保持溶劑晶格不同于任一組元各相保持自身晶格性能固溶強化熔點高，硬度高，脆性大，耐磨性好與各相大小形態(tài)、分布有關(guān)舉例A，F(xiàn)CmP，Ld，L'd§32 鐵碳合金的基本組織與性能教

6、學過程一、復習提問：合金的基本概念合金的組織二、新課教學：鐵素體（F）奧氏體（A）滲碳體（Fe3C或Cm）珠光體（P）萊氏體（Ld）三、課堂練習：鐵碳合金的基本組織與性能比較四、作業(yè)安排：練習冊P10，一、6-10；二、4-6；三、4-6五、板書設計（見下頁）：六、教學后記：§32 鐵碳合金的基本組織與性能鐵碳合金：以Fe、C為主要合金元素，S、P、Si、Mn為次要合金元素，由于成分不同，形成不同固溶體、金屬化合物或混合物，對外表現(xiàn)不同性能。一、鐵素體（F）1、定義：碳溶于-Fe形成的間隙固溶體。 2、符號：F（ferrite）3、組織類型：單相組織4、晶格類型：體心立方晶格(有畸變

7、)5、顯微組織：可觀察到晶粒間的晶界，6、存在溫度：9127、溶碳量：00.0218%8、性能：與純鐵相似，具有良好的塑性和韌性，強度和硬度較低。二、奧氏體（A）1、定義：碳溶于-Fe形成的間隙固溶體2、符號：A(austenitic)3、組織類型：單相組織4、晶格類型：面心立方晶格5、顯微組織：可觀察到晶粒間的晶界，6、存在溫度：7271394（雜質(zhì)多，熔點低）7、溶碳量：727時溶碳0.77%,1148時，溶碳2.11%8、性能：強度和硬度不高，具有良好的塑性，是絕大多數(shù)鋼在高溫進行鍛造和軋制所要求的組織。三、滲碳體（Fe3C或Cm）1、定義：含碳量為6.69%的鐵和碳的金屬化合物2、符號

8、：Cm(cementite) Fe3C3、組織類型：單相組織4、晶格類型：復雜斜方晶體5、顯微組織：一次滲碳體：由金屬液中結(jié)晶出來，溫度1227，呈板條狀。二次滲碳體：由A中析出，溫度1148，呈網(wǎng)狀,Rm。共晶滲碳體：金屬液發(fā)生共晶反應的產(chǎn)物，呈白色基體。6、存在溫度：12277、溶碳量：6.69%8、性能：硬度高，脆性大，塑性差，A、Z幾乎為零，是脆硬相。9、轉(zhuǎn)變：滲碳體在適當條件下（高溫停留或緩慢冷卻），可分解為鐵和石墨Fe3C 3Fe+C（石墨）白口鑄鐵：碳以滲碳體的形式存在，切口為白亮色，作為煉鋼原料。灰口鑄鐵：碳以石墨的形式存在，切口為灰暗色，作為鑄件原料。四、珠光體（P）1、定義

9、：F與Cm混合物,是含碳量為0.77%的鐵碳合金在727時的共析產(chǎn)物。2、符號：P(pearlite)3、組織類型：多相組織4、晶格類型：體心立方晶格+復雜斜方晶格5、顯微組織：F與Cm片層相間、交替排列，6、存在溫度：7277、溶碳量：0.77%8、性能：取決于F與Cm平均值，強度較高，硬度適中，具有一定的塑性。五、萊氏體（Ld）1、定義：A與Cm混合物,是含碳量為4.3%的鐵碳合金在1148時的共晶產(chǎn)物。2、符號：Ld(ledeburite)3、組織類型：多相組織4、晶格類型：面心立方晶格+復雜斜方晶格 5、顯微組織：白色滲碳體基體上分布點條狀奧氏體，6、存在溫度：72711487、溶碳量

10、：4.3% 8、性能：與滲碳體相似，硬度高，塑性差。六、低溫萊氏體室溫下的萊氏體，由珠光體和滲碳體組成，用符號Ld表示。 1、定義：P與Cm混合物，是含碳量為4.3%的鐵碳合金在727時的共析產(chǎn)物。2、符號：Ld3、組織類型：多相組織4、晶格類型：體心立方晶格+復雜斜方晶格5、顯微組織：白色滲碳體基體上分布點條狀珠光體6、存在溫度：7277、溶碳量：4.3% 8、性能：與滲碳體相似，硬度高，塑性差。表3-3組織代號組織形式含碳量%存在溫度力學性能晶格類型基本相鐵素體F固溶體00.0218912強度硬度低塑性韌性好體心（畸變）奧氏體A固溶體0.772.117271394強度硬度不高塑性好面心（畸

11、變）滲碳體Cm金屬化合物6.691227硬而脆復雜斜方基本組織珠光體P混 合物F+Cm0.77727強度高,硬度適中,一定塑性體心+復雜斜方萊氏體LdA+Cm4.37271148硬而脆面心+復雜斜方低溫萊氏體LdP+Cm4.3727體心+復雜斜方§33 鐵碳合金相圖 教學過程一、復習提問：鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體組織與性能二、新課教學：鐵碳合金相圖的組成FeFe3C相圖中特性點、線的含義及 各區(qū)域內(nèi)的組織鐵碳合金的分類鐵碳合金的成分、組織與性能的關(guān)系FeFe3C相圖的應用三、課堂練習：鐵碳合金相圖分析四、作業(yè)安排：練習冊P10，一、11-15；二、7-13；三、7-14

12、五、板書設計（見下頁）：六、教學后記：§33 鐵碳合金相圖一、鐵碳合金相圖的組成1、鐵碳合金相圖的組成：圖3-1鐵碳合金相圖2、定義：鐵碳合金在緩慢冷卻（緩慢加熱）條件下，不同成份的合金狀態(tài)或組織隨溫度變化的圖形。3、研究對象：C5%，含碳量太高，脆性大，無實用價值。4、相圖建立方法：熱分析法。5、相圖建立步驟：配制不同成份的合金； 利用熱分析法畫出各合金的冷卻曲線； 在冷卻曲線上找出相應的臨界點； 連接相同意義的臨界點。6、簡化：把實際相圖中繁瑣、應用少的左上角部分和左下角部分予以省略（橫坐標為含碳量，縱坐標為溫度）。在鐵碳合金中，鐵和碳可以形成一系列的化合物，如Fe3C 、Fe2

13、C 、FeC 等。二、FeFe3C相圖中特性點、線的含義及 各區(qū)域內(nèi)的組織c:crystallizes:separate out圖3-21、主要特性點：表3-4點含碳量%溫度意義A01538純鐵的熔點，純鐵的理論結(jié)晶溫度C4.31148共晶點，LC （A+Fe3C）D6.691227滲碳體的熔點，滲碳體的理論結(jié)晶溫度E2.111148碳在- Fe中最大溶解度，A中最大溶碳量G0912純鐵同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點：-Fe - FeS0.77727共析點，AS （F+Fe3C）注：共晶反應與共析反應的區(qū)別與聯(lián)系項目共同點不同點共晶反應產(chǎn)物為兩固相反應原料為液態(tài)合金，溫度相對較高（1148）共析反應反應原料為

14、固態(tài)合金，溫度相對較低（727）2、 主要特性線：表3-5線名稱意義ACD液相線鐵碳合金開始結(jié)晶溫度連線,先結(jié)晶出A或Cm,線上為液相AECF固相線鐵碳合金結(jié)束結(jié)晶溫度連線,線下為固相GSA3線冷卻時,從不同含碳量的奧氏體中析出鐵素體的開始線ESAcm碳在- Fe中溶解度線,或稱碳在A中固溶線ECF共晶線含碳量為4.3%的液態(tài)合金在1148時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變點連線PSK共析線A1線，含碳量為0.77%A在727時發(fā)生共析轉(zhuǎn)變點連線共晶轉(zhuǎn)變:一定成分的液態(tài)合金，在某恒溫下，同時結(jié)晶出兩固相，L S1+S2。共析轉(zhuǎn)變：一定成分的固溶體，在某恒溫下，同時析出兩固相， S1 S2+S3 3、面: 表3-6

15、面名稱組織類型晶格類型ACD以上液相面高溫液態(tài)鐵碳合金無晶體AEC面液固共存面L+A面心立方CDF面液固共存面L+Cm復雜斜方AGSE面單相A面A面心立方GPS面AF面A+F室溫時為P+FA1線以上，ECF線以下C（0.772.11%）C(2.114.3%)C(4.36.69%)A+CmIIA+CmII+LdCmI+LdA1線以下P+CmIIP+CmII+LdCmI+Ld4、單相區(qū)：液相區(qū)L，奧氏體區(qū)A，滲碳體區(qū)Cm，鐵素體區(qū)F。三、鐵碳合金的分類純鐵含碳量小于0.0218%的鐵碳合金。鋼steel含碳量大于0.0218%而小于2.11%的鐵碳合金。鑄鐵iron含碳量大于2.11%的鐵碳合金亞

16、共析鋼：0.0218C0.77%鋼 共 析 鋼: C=0.77%表3-5 過共析鋼: 0.77C2.11% 亞共晶白口鑄鐵: 2.11C4.3%白口鑄鐵 共晶白口鑄鐵: C=4.3% 過共晶白口鑄鐵: 4.3C6.69%工業(yè)純鐵: C0.0218%工業(yè)用鋼: C1.4%工業(yè)用鐵: C4%四、鐵碳合金的成分、組織與性能的關(guān)系1、隨含碳量的增大，鐵碳合金室溫組織按以下順序變化： HBSFF+PPP+CmIIP+CmII+ LdLdCmI+Ld b2、室溫組織本質(zhì)：F+Cm，二者相對量隨含碳量變化而變化（利用相圖說明）。 ak 圖3-3 鐵碳合金室溫組織變化圖3、 C%，硬度增大； 0.8 C%C%

17、，強度增大，但C0.8%時，由于網(wǎng)狀Cm出現(xiàn)，強度略有下降。C%，A、Z、ak。為保證工業(yè)用鋼具有足夠的強度和一定的塑性，鋼中含碳量1.4%。隨含碳量的不同，其組織順序： FF+PPP+ Fe3 CP+ Fe3 C+ Fe3 C含碳量越高，鋼的強度、硬度越高，而塑性、韌性越低，這在鋼經(jīng)過熱處理后表現(xiàn)尤為明顯。 思考題:1、為什么液相線以下先結(jié)晶出A或Cm，而不是F？2、含碳量4.3%，溫度727時，有沒有A和Cm。3、共晶反應生成的A中含C量為多少？共析反應中A的含C量是多少？4、含碳量為3%的鐵碳合金，在1148時，A中C的量是多少？5、含碳量為4%的鐵碳合金，在1148時，A中C的量是多少

18、？表3-7項目名稱亞共析鋼共析鋼過共析鋼亞共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵含碳量%0.02180.770.770.772.112.114.34.34.36.69共析反應共晶反應*先結(jié)晶組織AAAAA+CmCmI室溫組織P+FPP+ CmIIP+CmII+LdLdCmI+Ld五、FeFe3C相圖的應用1、作為選材的依據(jù) （1）要求塑性、韌性好，強度不太高的構(gòu)件，選低碳鋼；（2）要求強度、塑性、韌性等綜合性能較好的構(gòu)件,選中碳鋼;（3）各種工具、刀具、量具、模具等，要求硬度高及耐磨性好，選高碳鋼。2、在鑄造生產(chǎn)中的應用在鑄造生產(chǎn)上，根據(jù)相圖找出不同成分的鐵碳合金熔點，從而確定合理的熔化和澆注

19、溫度。例如：鋼的熔化和澆注溫度比鑄鐵高；共晶成分的鐵碳合金熔點低、凝固溫度區(qū)間小，鑄造性能較好。3、在鍛造工藝上的應用在鍛造工藝上，鋼加熱溫度在10001250時，處于單相奧氏體，強度低、塑性好，是優(yōu)良的鍛、軋組織。選擇原則：開始軋制或鍛造的溫度不可過高，以免鋼材氧化嚴重、晶粒粗大或奧氏體晶界熔化，造成工件報廢。終止溫度不可過低，以免出現(xiàn)Cm脆硬相，使鋼材塑性差，鍛造過程出現(xiàn)裂紋。4、在熱處理工藝上的應用可根據(jù)鐵碳合金相圖，設計合理的加熱溫度、保溫時間、冷卻速度。根據(jù)鐵碳合金相圖填表：表3-8含碳量%溫度顯微組織溫度顯微組織025800A+F900A077700P800A120700P+CmI

20、I800A+ CmII§34 碳素鋼 教學過程一、復習提問：鐵碳合金相圖的組成FeFe3C相圖中特性點、線的含義及 各區(qū)域內(nèi)的組織鐵碳合金的分類鐵碳合金的成分、組織與性能的關(guān)系FeFe3C相圖的應用二、新課教學：鋼中常存元素及其對性能的影響碳素鋼的分類碳素鋼牌號及用途三、課堂練習：碳素鋼牌號識讀四、作業(yè)安排：練習冊P10，一、16-20；二、14-20；三、15-20五、板書設計（見下頁）：六、教學后記：§34 碳素鋼1、碳素鋼簡稱碳鋼，是最基本的鐵碳合金。它是指在冶煉時沒有特意加入合金元素，且含碳量大于0.0218%而小于2.11%的鐵碳合金。 2、碳素鋼的特點：良好的力

21、學性能和工藝性能，冶煉方便，價格便宜，應用廣泛。3、合金鋼：在碳鋼的基礎上，為改善鋼的性能，冶煉時有目的加入一種或幾種合金元素的鋼。4、合金鋼特點：可以得到所需的力學性能、化學性能、物理性能、工藝性能（加入元素Cr、Ni、W、V）。 主要元素：Fe、C 有益元素：Si、Mn 鋼中元素： 有害元素：S、P 氧化物：FeO、MnO非金屬夾雜物： 硫化物：MnS、FeS 硅酸鹽鐵礦石：Fe3O4, Fe2O3,MgO,CaO,SiO2,Al2O3焦炭：提供CO和熱量熔劑CaCO3：與SiO2,Al2O3反應，生成熔點低、流動性好的爐渣，浮在鐵水表面。生鐵：CO使鐵礦石中的鐵等元素還原出來(Fe2O3

22、+ 3CO-2 Fe+3 CO2)。鋼：用氧化方法去除生鐵中的雜質(zhì)。(2FeO+Si- SiO2+ 2Fe+Q)脫氧：煉鋼后期用硅鐵、錳鐵去除氧的過程（FeO+CFe+CO）。 還原 氧化 脫氧鐵礦石 生鐵 鋼 （Z，TZ，F(xiàn)，b） 煤氣爐渣表3-9常存元素性質(zhì)來源存在形式作用錳(0.25-0.8%)(0.7-1.2%)鐵礦石、錳鐵溶于F成固溶體溶于Cm面金屬化合物固溶強化形成MnS減輕熱脆硅（0.17-0.37%）有益元素鐵礦石、硅鐵溶于F成固溶體固溶強化硫(0.05%)有害元素鐵礦石、生鐵（Fe+FeS）共晶體熔點985鍛造軋制時開裂磷（0.045%）生成Fe3P金屬化合物室溫下脆性大(冷

23、脆)氫氫原子進入金屬后晶格應變增大，降低韌性及延性氫脆,白點非金屬夾雜物：1、形式：氧化物FeO、Fe3O4、MnO、SiO2、Al2O3;硫化物MnS、FeS；硅酸鹽。2、來源：煉鋼反應產(chǎn)生而未排除在鋼液上的；或從爐渣、爐體、鑄錠設備等耐火材料中帶入。3、作用：降低鋼的強度、塑性。4、期望值：越小越好。一、鋼中常存元素及其對性能的影響錳有益元素，有很好的脫氧能力，還可與硫形成MnS，從而消除了硫的有害作用。硅有益元素，脫氧能力比錳強，還能提高鋼的強度及質(zhì)量，硅作為雜質(zhì)一般應不超過0.4%。硫有害元素，常以FeS形式存在，易使鋼材變脆（熱脆性）。磷有害元素，它使鋼在低溫時變脆（冷脆性）。氫有害

24、元素，能造成氫脆、白點等缺陷。二、碳素鋼的分類1、按鋼的含碳量分 低碳鋼：C0.25 中碳鋼：C 0.250.60 高碳鋼：C 0.602、按鋼的質(zhì)量分 普通鋼：S 0.050，P 0.045 優(yōu)質(zhì)鋼：S 0.035，P 0.035 高級優(yōu)質(zhì)鋼：S 0.025，P 0.0253、按鋼的用途分 結(jié)構(gòu)鋼：含碳量一般均小于0.70% 工具鋼：含碳量一般均大于0.70%4、按冶煉時脫氧程度的不同分 沸騰鋼：脫氧程度不完全的鋼 鎮(zhèn)靜鋼：脫氧程度完全的鋼 半鎮(zhèn)靜鋼：脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間的鋼表3-10分類鎮(zhèn)靜鋼沸騰鋼半鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度完全，無CO生成液面平靜不完全，有大量CO，液面似沸騰表面質(zhì)量一般

25、，有縮孔偏析輕好，無縮孔偏析嚴重力學性能akak表示方法Z，TZFb5、按室溫組織分類（按相圖中與共析點相對位置分類）：亞共析鋼：處于共析點以左，室溫組織為P+F。共析鋼：處于共析點，室溫組織為P 。過共析鋼：處于共析點以右，室溫組織為P+Cm。三、碳素鋼牌號及用途化學元素符號漢語拼音字母阿拉伯數(shù)字1、（普通）碳素結(jié)構(gòu)鋼 Q+屈服點+質(zhì)量等級符號+脫氧方法（1）屈服強度字母Q（2）屈服強度數(shù)值（3）質(zhì)量等級符號：A、B、C、D級，從A到D依次提高。（4）脫氧方法符號： F沸騰鋼 b半鎮(zhèn)靜鋼 Z鎮(zhèn)靜鋼 TZ特殊鎮(zhèn)靜鋼（Z與TZ符號在鋼號組成表示方法中予以省略）（5）性能：工藝性好，冶煉容易，價格

26、便宜，產(chǎn)量大。（6）用途：結(jié)構(gòu)件、普通零件、制成型材（圓鋼、方鋼、扁鋼、角鋼、槽鋼、工字鋼、鋼筋）。（7）舉例：Q235A·F普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，屈服點為235MPa，A級質(zhì)量，沸騰鋼。（8）規(guī)律：牌號越大，Rel，Rm，HB，A，Z，ak。2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（1）性能：出廠時既保證化學成份，又保證力學性能，S、P量0.035%。性能好，使用前經(jīng)熱處理改善力學性能。（2）用途：用于重要零件，如齒輪、軸、彈簧、容器等。（3）牌號：兩位數(shù)字+其他符號。兩位數(shù)字表示平含碳量的的萬分數(shù)。其他符號：如果是普通含錳量鋼0.035Mn0.80%，不用表示；如果是較高含錳量鋼0.7Mn1.2%，在牌號后加Mn；如果是沸騰鋼，加F；如果是鍋爐鋼，加g。舉例：20優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，平均含碳量為0.20%，鎮(zhèn)靜鋼。50Mn優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，平均含碳量為0.50%，鎮(zhèn)靜鋼,含錳量