铁碳合金相图的教学探讨

2017-06-05但晋川自贡市职业培训学院

新商务周刊 2017年2期

文/但晋川，自贡市职业培训学院

铁碳合金相图的教学探讨

文/但晋川，自贡市职业培训学院

本文摘要：由于钢铁材料的成分(含碳量)不同,因此组织和性能也不相同,应用场合也不一样。在材料学中, 铁碳合金相图是研究铁碳合金组织、性能变化规律的基本工具；在生产实践中, 是合理选择钢铁材料，制定热加工工艺（热处理、锻造、铸造）的依据，故铁碳合金相图是机械工程材料课程教学的一个重点,由于其理论抽象、概念繁杂,对于中职学生而言要学好本节内容有一定的难度。本文根据笔者教学实践，就铁碳合金相图的教学展开探讨。

铁碳合金相图；教学

铁碳合金相图是学习钢铁材料的重要理论基础，它表示在平衡（缓慢冷却或缓慢加热）的条件下，不同成分的铁碳合金的组织或状态随温度变化的图形。它是反映“成分—温度—组织”三者之间关系的图解，图中纵坐标表示温度，横坐标表示碳含量（质量分数），左端原点表示纯铁（Wc=0%），右端点为Fe3C（Wc=6.69%）。横坐标上任意一个固定成分均代表一种铁碳合金。铁碳合金相图的建立为分析合金成分和温度对其组织的影响，继而推断其力学性能，确定其应用范围和加工方法等，提供了直观手段。由于含碳量大于6.69%的铁碳合金脆性很大，生产中没有实用价值，所以只研究相图中含碳量为0%-6.69%的铁碳合金，即Fe-Fe3C相图。

经简化后的Fe-Fe3C相图

1 对相图的结构初步认识

中职教材中通常将Fe-Fe3C相图做了一个简化，同时，可以概括为十一个字：“两横、三纵、五弧、九点、十二区”。

“两横”是指1148℃的共晶线ECF和727℃的共析线PSK。

“三纵”是指含碳量为0.77%的共析成分和4.3%的共晶成分，以及含碳量为2.11%的钢与铸铁的分界线。

“五弧”是指液相线AC段和CD段；固相线AE段；铁素体与奥氏体相互转变线GS；以及碳在奥氏体中的溶解度曲线ES。

“九点”是指相图上由字母标出的A、C、D、E、G、S、P、Q、K等临界点。

“十二区”是由点和线把相图分割成的12个不同的相或组织状态的区域。

2 认识Fe-Fe3C相图中符号、点和线的含义

对于相图中符号和点的含义这里暂且省略，仅说明相图中主要特性线的含义。

3 深入分析理解相图

从不同成分的合金结晶过程入手，重点分析结晶顺序、结晶过程和重结晶过程时各相中含碳量的变化与相图中温度的对应关系。

（1）以共晶线ECF和共析线PSK为基础，当金属液冷却到ECF线时（温度1148℃），将发生共晶转变，所谓共晶转变是指一定成分的液态合金，在某一恒温下，同时结晶出两种固相的转变，此时，金属液中同时结晶出奥氏体和渗碳体的混合物，即莱氏体；当奥氏体冷却到PSK线时（温度727℃），将发生共析转变，所谓共析转变是指一定成分的固溶体，在某一恒温下，同时析出两种晶体的转变，此时，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的混合物，即珠光体。

（2）分析各相区的成分随温度的变化与含碳量的关系。相图的上半部由液态变为固态的一次结晶，ACD为液相线，含碳量＜4.3%的液态合金冷却到AC线温度时，过饱和的铁逐渐以奥氏体的形式结晶出来,剩余液体的含碳量趋近4.3%，1148℃时发生共晶转变而生成莱氏体Ld；含碳量＞4.3%的液态合金冷却到CD线温度时,过饱和的碳逐渐以一次渗碳体(Fe3CⅠ)的形式结晶出来,剩余液体的含碳量趋近4.3%,1148℃时发生共晶转变而生成莱氏体Ld。固相线AECF以下，E点以左是奥氏体区,E—C成分之间是先析相奥氏体+莱氏体区,C—F成分之间是先析相一次渗碳体+莱氏体区。共晶线ECF以下所有液体合金均结晶为莱氏体。相图下半部分图形为固态下的相变，含碳量＜0.77%的铁碳合金在GS线下,过饱和的铁逐渐以铁素体的形式从奥氏体中先结晶出来,使剩余奥氏体的含碳量趋近0.77%，727℃时亦发生共析转变而生成珠光体；含碳量＞0.77%的铁碳合金在ES线下,过饱和的碳逐渐以二次渗碳体(Fe3CⅡ)的形式从奥氏体中先结晶出来,使剩余奥氏体的含碳量趋近0.77%，727℃时亦发生共析转变而生成珠光体。共析线PSK以下所有奥氏体均转变为珠光体。同理,莱氏体中的奥氏体也转变成珠光体,此时的莱氏体叫做低温莱氏体(L’ d)。