金属学与热处理课后习题答案第四章

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δ铁素体，L≒δ，组织为液相+δ铁素体

2）液态合金冷却至包晶温点（1495℃），液相合金和δ铁素体发生包晶转变，形成奥氏体γ，L+δ≒γ，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γ，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α，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γ≒α+Fe3C，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：Wα（先）=（0.77-0.2）/（0.77-0.0218）×100%≈76.2%，

Wp=1- Wα（先）≈23.8%

相含量计算：Wα=（6.69-0.2）/（6.69-0.0218）×100%≈97.3%，

W Fe3C= 1- Wα≈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≒γ，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α，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γ≒α+Fe3C，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 组织含量计算：

组织含量计算：Wα（先））=（0.77-0.6）/（0.77-0.0218）×100%≈22.7%，

Wp=1- Wα（先）≈77.3%

相含量计算：Wα=（6.69-0.6）/（6.69-0.0218）×100%≈91.3%，

W Fe3C= 1- Wα≈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≒γ，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γ≒α+Fe3C，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：Wα=（6.69-1.2）/（6.69-0.0218）×100%≈82.3%，

W Fe3C= 1- Wα≈16.7%

4-2 分析Wc=3.5%，Wc=4.7%的铁碳合金从液态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≒γ，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≒γ+Fe3C，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，γ≒α+Fe3C，组织为珠光体（低温莱氏体L’d）+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L’d）+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 Fe3CⅡ={（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%

WL’d=1- W Fe3C（共）-W Fe3CⅡ=≈50.2%

相含量计算： Wα={（6.69-0.77）/（6.69-0.0218）}×WL’d×100%

≈44.6%，

W Fe3C= 1- Wα≈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，L≒Fe3CⅠ，组织为液相合金+ Fe3CⅠ。

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≒γ+Fe3C，组织为共晶莱氏体Ld+ Fe3CⅠ。 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℃），共晶莱氏体中奥氏体中的碳含量变化至共析点，发生共析转变形成珠光体，γ≒α+Fe3C，此时组织为：珠光体（低温莱氏体L’d）+ 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L’d）+ 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：WL’d={（6.69-2.11）/（6.69-0.77）}×

{（6.69-4.7）/（6.69-2.11）}×100% ≈33.5%

W Fe3C =1- WL’d≈66.5%

相含量计算： Wα={（6.69-0.77）/（6.69-0.0218）}×WL’d×100%

≈29.7%，

W Fe3C= 1- Wα≈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 Fe3CⅡ=（2.11-0.77）/（6.69-0.77）×W A×100%≈11.8% 共析渗碳体含量：

W Fe3C（析）={（0.77-0.0218）/（6.69-0.0218）}×（W A - W Fe3CⅡ）×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X≈0.45，所以A中含碳量为0.45%。 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Y≈1.2，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：

F→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+L’d→L’d→L’d+ Fe3CⅠ (F代表铁素体，P代表珠光体，L’d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。