1、第五章 鐵碳相圖習題參考答案一、解釋下列名詞答:1、鐵素體:碳溶入 -Fe 中形成的間隙固溶體。奧氏體:碳溶入 -Fe 中形成的間隙固溶體。滲碳體:鐵與碳形成的具有復雜晶體結構的金屬化合物。珠光體:鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。萊氏體:由奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。2、 Fe3C :由液相中直接析出來的滲碳體稱為一次滲碳體。Fe3C :從 A 中析出的 Fe3C 稱為二次滲碳體。Fe3C :從鐵素體中析出的 Fe3C 稱為三次滲碳體。共析 Fe3C :經共析反應生成的滲碳體即珠光體中的滲碳體稱為共析滲碳體。共晶 Fe3C :經共晶反應生成的滲碳體即萊氏體中的滲碳體稱為共晶滲碳體。3、鋼:

2、含碳量大于 0.00218%,小于 2.11%的鐵碳合金。白口鑄鐵:含碳量大于 2.11%的鐵碳合金。二、填空題1個。2、 Fe -Fe 3C 相圖有 個單相區, 各相區的相分別是 。3、 Fe -Fe 3C 相圖有 條水平線,即 線,它們代表的反應分別是應、共晶反應和共析反應 。4、工業純鐵的含碳量為 0.0218%,室溫平衡組織為 F+ Fe3C 。5、 共晶白口鐵的含碳量為 , 室溫平衡組織 P 占 , Fe 3C 共晶占 %, Fe3C 占 %。6、一鋼試樣,在室溫平衡組織中,珠光體占 60%,鐵素體占 40%,該鋼的含碳量為 0.4707。7、鋼的組織特點是高溫組織為 ,具有良好的

3、性,因而適于 成形。8、白口鑄鐵的特點是液態結晶都有 轉變,室溫平衡組織中都有 ,因而適于通過 成形。三、簡答題1、為什么 -Fe 和 - Fe 的比容不同?一塊質量一定的鐵發生(-Fe -Fe 轉變時, 其體積如何變化?答:因為 -Fe 和 - Fe 原子排列的緊密程度不同, -Fe 的致密度為 74%, - Fe 的致密度為 68%,因此一塊質量一定的鐵發生(-Fe -Fe 轉變時體積將發生膨脹。2、鐵素體(F ,奧氏體(A ,滲碳體(Fe 3C ,珠光體(P ,萊氏體(Ld 的結構、組織形態、性能等各有何特點?答:鐵素體結構為體心立方晶格。由于碳在 -Fe 中的溶解度 很小,它的性能與純

4、鐵相近。塑 性、韌性好,強度、硬度低。它在鋼中一般呈塊狀或片狀。奧氏體(A 結構為面心立方晶格。因其晶格間隙尺寸較大,故碳在 -Fe 中的溶解度較大。 有很好的塑性。滲碳體(Fe 3C 具有復雜晶格的間隙化合物。滲碳體具有很高的硬度,但塑性很差,延伸率 接近于零。在鋼中以片狀存在或網絡狀存在于晶界。在萊氏體中為連續的基體,有時呈魚骨狀。 珠光體(P 為鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。鐵素體和滲碳體呈層片狀。珠光體有較 高的強度和硬度,但塑性較差。萊氏體(Ld 為奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。在萊氏體中,滲碳體是連續分布的相, 奧氏體呈顆粒狀分布在滲碳體基體上。由于滲碳體很脆,所以萊氏體是塑性

5、很差的組織。3、 Fe-Fe 3C 合金相圖有何作用?在生產實踐中有何指導意義?又有何局限性?答:碳鋼和鑄鐵都是鐵碳合金,是使用最廣泛的金屬材料。鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的 重要工具,了解與掌握鐵碳合金相圖,對于鋼鐵材料的研究和使用,各種熱加工工藝的制訂以及工 藝廢品原因的分析等方面都有重要指導意義。 為選材提供成分依據:鐵碳相圖描述了鐵碳合金的組織隨含碳量的變化規律,合金的性能 決定于合金的組織,這樣根據零件的性能要求來選擇不同成分的鐵碳合金;為制定熱加工工藝提供依據:對鑄造, 根據相圖可以找出不同成分的鋼或鑄鐵的熔點,確定 鑄造溫度;根據相圖上液相線和固相線間距離估計鑄造性能的好壞。 對

6、于鍛造:根據相圖可以確定 鍛造溫度。 對焊接:根據相圖來分析碳鋼焊縫組織,并用適當熱處理方法來減輕或消除組織不均勻 性; 對熱處理:鐵碳相圖更為重要,如退火、正火、淬火的加熱溫度都要參考鐵碳相圖加以選擇。 由于鐵碳相圖是以無限緩慢加熱和冷卻的速度得到的, 而在實際加熱和冷卻通常都有不同 程度的滯后現象。4、畫出 Fe-Fe3C 相圖,指出圖中 S 、 C 、 E 、 P 、 N 、G 及 GS 、 SE 、 PQ 、 PSK 各點、線的意義,并標出各相區的相組成物和組織組成物。答:C :共晶點 11484.30%C,在這一點上發生共 晶 轉 變 , 反 應 式 : F+Fe 3C912圖2-1

7、3 Fe-Fe3C相圖e 3C IIA+FP+Fe 3C IIPe 3C IIe 3C IILde 3C I3C IL+F3C IL+AAF K P 727GQ4.3%CA0.77%ED 1227 1538SVIVIVIIIIIIC Fe A Lc E 3+,當冷到 1148時具有 C 點成分的液體中同時結晶出具有 E 點成分的奧氏體和滲 碳體的兩相混合物萊氏體 (C Fe A Le E 3+E :碳在 Fe -中的最大溶解度點 1148 2.11%CG :Fe Fe -同素異構轉變點(A 3 912 0%CH :碳在 Fe -中的最大溶解度為 1495 0.09%CJ :包晶轉變點 1495

8、 0.17%C 在這一點上發生包晶轉變,反應式:J H B A L +當冷 卻到 1495時具有 B 點成分的液相與具有 H 點成分的固相 反應生成具有 J 點成分的固相 A 。N :Fe Fe -同素異構轉變點(A 4 1394 0%CP :碳在 Fe -中的最大溶解度點 0.0218%C 727S :共析點 727 0.77%C 在這一點上發生共析轉變,反應式:c Fe F A p s 3+,當冷卻到 727時從具有 S 點成分的奧氏體中同時析出具有 P 點成分的鐵素體和滲碳體的兩相混合物珠光 體 P (c Fe F p 3+ES 線:碳在奧氏體中的溶解度曲線,又稱 Acm 溫度線,隨溫度

9、的降低,碳在奧化體中的溶解度 減少,多余的碳以C Fe 3形式析出,所以具有 0.77%2.11%C的鋼冷卻到 Acm 線與 PSK 線之間時的 組織 C Fe A 3+,從 A 中析出的 C Fe 3稱為二次滲碳體。GS 線:不同含碳量的奧氏體冷卻時析出鐵素體的開始線稱 A 3線, GP 線則是鐵素體析出的終了線, 所以 GSP 區的顯微組織是 A F +。PQ 線:碳在鐵素體中的溶解度曲線,隨溫度的降低,碳在鐵素體中的溶解度減少,多余的碳以 C Fe 3形式析出, 從 F 中析出的 C Fe 3稱為三次滲碳體 C Fe 3, 由于鐵素體含碳很少, 析出的 C Fe 3很少,一般忽略,認為從

10、 727冷卻到室溫的顯微組織不變。PSK 線:共析轉變線,在這條線上發生共析轉變 C Fe F A P S 3+,產物(P 珠光體,含碳量 在 0.026.69%的鐵碳合金冷卻到 727時都有共析轉變發生。5、簡述 Fe-Fe3C 相圖中三個基本反應:包晶反應,共晶反應及共析反應,寫出反應式,標出含 碳量及溫度。答:共析反應:冷卻到 727時具有 S 點成分的奧氏體中同時析出具有 P 點成分的鐵素體和滲碳體的兩相混合物。 0.8æ727F 0.02+Fe3C 6.69 包晶反應:冷卻到 1495時具有 B 點成分的液相與具有 H 點成分的固相 反應生成具有 J 點成分的固相 A 。

11、L0.5+0.1æ14950.16共晶反應:1148時具有 C 點成分的液體中同時結晶出具有 E 點成分的奧氏體和滲碳體的兩相混合物。 L4.3æ11472.14+ Fe3C 6.696、亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼的組織有何特點和異同點。答:亞共析鋼的組織由鐵素體和珠光體所組成。其中鐵素體呈塊狀。珠光體中鐵素體與滲碳體 呈片狀分布。共析鋼的組織由珠光體所組成。過共析鋼的組織由珠光體和二次滲碳體所組成,其中 二次滲碳體在晶界形成連續的網絡狀。共同點:鋼的組織中都含有珠光體。不同點:亞共析鋼的組織是鐵素體和珠光體,共析鋼的組織是珠光體,過共析鋼的組織是珠光 體和二次滲碳體。7、

12、分析含碳量分別為 0.60%、 0.77%、 1.0% 的鐵碳合金從液態緩冷至室溫時的結晶過程和室溫 組織。答:0.77%C:在 1點間合金按勻晶轉變結晶出 A ,在 2點結晶結束,全部轉變為奧氏體。冷到 3點時(727 ,在恒溫下發生共析轉變,轉變結束時全部為珠光體 P ,珠光體中的滲碳體稱為共析 滲碳體,當溫度繼續下降時,珠光體中鐵素體溶碳量減少,其成分沿固溶度線 PQ 變化,析出三次滲 碳體 Fe3C III ,它常與共析滲碳體長在一起,彼此分不出,且數量少,可忽略。室溫時組織 P 。 0.60% C :合金在 12間按勻晶轉變結晶出 A ,在 2點結晶結束,全部轉變為奧氏體。冷到 3點

13、 時開始析出 F , 34點 A 成分沿 GS 線變化,鐵素體成分沿 GP 線變化,當溫度到 4點時,奧氏體的 成分達到 S 點成分(含碳 0.77% ,便發生共析轉變,形成珠光體,此時,原先析出的鐵素體保持不 變,稱為先共析鐵素體,其成分為 0.0218%C,所以共析轉變結束后,合金的組織為先共析鐵素體和 珠光體,當溫度繼續下降時,鐵素體的溶碳量沿 PQ 線變化,析出三次滲碳體,同樣 Fe3C III 量很少, 可忽略。所以含碳 0.40%的亞共析鋼的室溫組織為:F+P1.0% C:合金在 12點間按勻晶轉變結晶出奧氏體, 2點結晶結束,合金為單相奧氏體,冷 卻到 3點,開始從奧氏體中析出二

14、次滲碳體 Fe3C II , Fe3C II 沿奧氏體的晶界析出,呈網狀分布, 3-4間 Fe3C II 不斷析出,奧氏體成分沿 ES 線變化,當溫度到達 4點(727時,其含碳量降為 0.77%, 在恒溫下發生共析轉變,形成珠光體,此時先析出的 Fe3C II 保持不變,稱為先共析滲碳體,所以共 析轉變結束時的組織為先共析二次滲碳體和珠光體, 忽略 Fe3C III 。 室溫組織為二次滲碳體和珠光體。8、指出下列名詞的主要區別:一次滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳體、共晶滲碳體與共析滲碳體。答:一次滲碳體:由液相中直接析出來的滲碳體稱為一次滲碳體。二次滲碳體:從 A 中析出的 C Fe 3稱為二

15、次滲碳體。三次滲碳體:從 F 中析出的C Fe 3稱為三次滲碳體 C Fe 3。 共晶滲碳體:經共晶反應生成的滲碳體即萊氏體中的滲碳體稱為共晶滲碳體。共析滲碳體:經共析反應生成的滲碳體即珠光體中的滲碳體稱為共析滲碳體。9、根據 Fe-Fe3C 相圖,計算:室溫下,含碳 0.6% 的鋼中珠光體和鐵素體各占多少;室溫下,含碳 1.2% 的鋼中珠光體和二次滲碳體各占多少;鐵碳合金中,二次滲碳體和三次滲碳體的最大百分含量。答: W p =(0.6-0.0218/(0.77-0.0218*100%=77.28% WF =1-77.28%=22.72% W p =(2.11-1.2/(2.11-0.77*

16、100%=69.91% WFe3C =1-69.91%=30.09% WFe3C =(2.11-0.77/(6.69-0.77*100%=22.64%WFe3C=0.0218/6.69*100%=0.33%10、某工廠倉庫積壓了許多碳鋼(退火狀態 ,由于鋼材混雜,不知道鋼的化學成分,現找出其 中一根,經金相分析后,發現其組織為珠光體 +鐵素體,其中鐵素體占 80% ,問此鋼材的含碳量大 約是多少?答:由于組織為珠光體 +鐵素體,說明此鋼為亞共析鋼。W=80%=(0.77-WC /(0.77-0.0218*100% WC =0.17%11、對某退火碳素鋼進行金相分析,其組織的相組成物為鐵素體 +

17、滲碳體(粒狀 ,其中滲碳體 占 18% ,問此碳鋼的含碳量大約是多少?答: WFe3C =18% =( WC -0.0218/(6.69-0.0218*100% WC =1.22%12、對某退火碳素鋼進行金相分析,其組織為珠光體 +滲碳體(網狀 ,其中珠光體占 93% ,問 此碳鋼的含碳量大約為多少?答:W p =93% =(2.11- WC /(2.11-0.77*100%=70% WC =0.86%13、計算含碳量為 1.4%C的鐵碳合金在 700下各個相及其組分數量和成分。答:含 1.4%C鐵碳合金屬于過共析鋼,其組織為珠光體 +二次滲碳體,相為鐵素體和滲碳體。 珠光體:W p =(2.

18、11-1.4/(2.11-0.77*100%=50% 二次滲碳體:W Fe3C =1-50%=50%鐵素體:W =(6.69-1.4 /(6.69-0.0218 *100%=79.33% 滲碳體:W Fe3C =1-79.33%=20.67% 14、根據 Fe-Fe3C 相圖,說明產生下列現象的原因:含碳量為 1.0% 的鋼比含碳量為 0.5% 的鋼硬度高;在室溫下,含碳 0.8% 的鋼其強度比含碳 1.2% 的鋼高;在 1100,含碳 0.4% 的鋼能進行鍛造,含碳 4.0% 的生鐵不能鍛造;綁軋物件一般用鐵絲(鍍鋅低碳鋼絲 ,而起重機吊重物卻用鋼絲繩(用含碳量為 0.60% 、 0.65%

19、 、 0.70%、 0.75% 等鋼制成 。答:鋼中隨著含碳量的增加,滲碳體的含量增加,滲碳體是硬脆相,因此含碳量為 1.0% 的 鋼比含碳量為 0.5% 的鋼硬度高。因為在鋼中當含碳量超過 1.0%時,所析出的二次滲碳體在晶界形成連續的網絡狀,使鋼的脆 性增加,導致強度下降。因此含碳 0.8% 的鋼其強度比含碳 1.2% 的鋼高。在 1100時,含碳 0.4% 的鋼的組織為奧氏體,奧氏體的塑性很好,因此適合于鍛造;含碳4.0% 的生鐵的組織中含有大量的滲碳體，滲碳體的硬度很高，不適合于鍛造。 綁軋物件的性能要求有很好的韌性，因此選用低碳鋼有很好的塑韌性，鍍鋅低碳鋼絲；而起 重機吊重物用鋼絲繩

20、除要求有一定的強度，還要有很高的彈性極限，而含碳量為 0.60% 、 0.65% 、 0.70%、 0.75%的鋼有高的強度和高的彈性極限。這樣在吊重物時不會斷裂。 四、選擇題 1、質量一定的 -Fe 轉變為-Fe 時，體積( A、脹大； B、縮小； C、不變 B 。 C、2.11%； B 。 C、間隙固溶體 D、4.3% A 。 2、碳在-Fe 中的最大溶解度為( A、0.0218%； B、0.77%； 3、滲碳體是一種具有復雜晶體結構的( A、間隙相； B、間隙化合物； C 。 4、鐵碳合金在平衡結晶過程中，( A、只有含碳 0.77% 的合金才有共析轉變發生； B、只有含碳小于 2.06

21、% 的合金才有共析轉變發生； C、含碳 0.02186.69% 的合金都有共析轉變發生 5、由( A 析出的滲碳體叫做三次滲碳體。 B、奧氏體； C C、液態金屬 A、鐵素體； 6、鐵碳合金中，( A、鐵素體； 組織為共晶反應產物。 B、珠光體； A C、萊氏體 7、平衡結晶時，凡含碳量( 二次滲碳體。 A、0.02186.69%； 的鐵碳合金，自 1148冷至 727時，均從奧氏體中析出 B、0.772.11% B 。 C、0.776.69% 8、一次滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳體( A、晶體結構不同，組織形態相同； B、晶體結構相同，組織形態不同； C、晶體結構與組織形態都不同。 9、由于

22、三次滲碳體的數量很少，故對( A、工業純鐵； C 性能的影響可忽略不計。 C、所有 Fe-C 合金 B 形式存在于組織中。 B、鋼和鑄鐵； 10、室溫平衡狀態下，鋼中的碳絕大部分是以( A、鐵素體； B、滲碳體； C、石墨碳 。 11、含碳量 0.45% 的鐵碳合金平衡結晶后，按相組成物計算，其中鐵素體占( A A、93.60%； 12、鋼的力學性能與( A、鐵素體； B、42.77%； C C、57.23% 的數量、形態和分布有關。 B、奧氏體； C、滲碳體 6 13、含碳 1.2% 的鐵碳合金平衡結晶時，727時的 Fe3C 量與冷至室溫時的 Fe3C 量相比 ( 。 A、727時多； B、室溫時多； C、一樣多 C 狀分布。 14、平衡結晶時，從奧氏體中析出的 Fe3C