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第五章 铁碳相图习题参考答案
一、解释下列名词
答：1、铁素体：碳溶入α－Fe中形成的间隙固溶体。
奥氏体：碳溶入γ－Fe中形成的间隙固溶体。
渗碳体：铁与碳形成的具有复杂晶体结构的金属化合物。
珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
莱氏体：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
2、Fe3CⅠ ：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。
Fe3CⅡ：从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体。
Fe3CⅢ：从铁素体中析出的Fe3C称为三次渗碳体。
共析Fe3C ：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。
共晶Fe3C：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。
3、钢：含碳量大于0.00218%，小于2.11%的铁碳合金。
白口铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金。
二、填空题
1、常温平衡状态下，铁碳合金基本相有铁素体（F）、渗碳体（Fe3C）等　两　个。
2、Fe－Fe3C相图有4个单相区，各相区的相分别是　液相（L）、δ相、铁素体（F）、奥氏体（A）。
3、Fe－Fe3C 相图有　三　条水平线，即HJB、ECF和PSK线，它们代表的反应分别是包晶反应、共晶反应和共析反应。
4、工业纯铁的含碳量为≤0.0218%，室温平衡组织为F+ Fe3CⅢ。
5、共晶白口铁的含碳量为4.3%，室温平衡组织P占40.37%，Fe3C共晶占47.82%，Fe3CⅡ占11.81%。
6、一钢试样，在室温平衡组织中，珠光体占60%，铁素体占40%，该钢的含碳量为0.4707。
7、钢的组织特点是高温组织为奥氏体（A），具有良好的　塑、韧　性，因而适于热加工成形。
8、白口铸铁的特点是液态结晶都有共晶转变，室温平衡组织中都有莱氏体，因而适于通过铸造成形。
三、简答题
1、为什么γ-Fe 和α- Fe 的比容不同？一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时，其体积如何变化？
答：因为γ-Fe和α- Fe原子排列的紧密程度不同，γ-Fe的致密度为74%，α- Fe的致密度为68%，因此一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时体积将发生膨胀。
2、铁素体（F），奥氏体（A），渗碳体（Fe3C），珠光体（P），莱氏体（Ld）的结构、组织形态、性能等各有何特点？
答：铁素体结构为体心立方晶格。由于碳在α-Fe中的溶解度`很小，它的性能与纯铁相近。塑性、韧性好，强度、硬度低。它在钢中一般呈块状或片状。
奥氏体（A）结构为面心立方晶格。因其晶格间隙尺寸较大，故碳在γ-Fe中的溶解度较大。有很好的塑性。
渗碳体（Fe3C）具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳体具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于零。在钢中以片状存在或网络状存在于晶界。在莱氏体中为连续的基体，有时呈鱼骨状。
珠光体（P）为铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体呈层片状。珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。
莱氏体（Ld）为奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体基体上。由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。
3、Fe-Fe3C合金相图有何作用？在生产实践中有何指导意义？又有何局限性？
答：⑴碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛的金属材料。铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，了解与掌握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究和使用，各种热加工工艺的制订以及工艺废品原因的分析等方面都有重要指导意义。
⑵为选材提供成分依据：铁碳相图描述了铁碳合金的组织随含碳量的变化规律，合金的性能决定于合金的组织，这样根据零件的性能要求来选择不同成分的铁碳合金；
为制定热加工工艺提供依据：对铸造，根据相图可以找出不同成分的钢或铸铁的熔点，确定铸造温度；根据相图上液相线和固相线间距离估计铸造性能的好坏。对于锻造：根据相图可以确定锻造温度。对焊接：根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性；对热处理：铁碳相图更为重要，如退火、正火、淬火的加热温度都要参考铁碳相图加以选择。
⑶由于铁碳相图是以无限缓慢加热和冷却的速度得到的，而在实际加热和冷却通常都有不同程度的滞后现象。

4、画出 Fe-Fe3C 相图，指出图中 S 、C 、E 、P、N 、G 及 GS 、SE 、PQ 、PSK 各点、线的意义，并标出各相区的相组成物和组织组成物。
答：C：共晶点1148℃ 4.30%C，在这一点上发生共晶转变，反应式：，当冷到1148℃时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物——莱氏体
E：碳在中的最大溶解度点1148℃ 2.11%C
G：同素异构转变点（A3）912℃ 0%C
H：碳在中的最大溶解度为1495℃ 0.09%C
J：包晶转变点1495℃ 0.17%C 在这一点上发生包晶转变，反应式：当冷却到1495℃时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相δ反应生成具有J点成分的固相A。
N：同素异构转变点（A4）1394℃ 0%C
P：碳在中的最大溶解度点 0.0218%C 727℃
S：共析点727℃ 0.77%C 在这一点上发生共析转变，反应式：，当冷却到727℃时从具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物——珠光体P（）
ES线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Acm温度线，随温度的降低，碳在奥化体中的溶解度减少，多余的碳以形式析出，所以具有0.77%～2.11%C的钢冷却到Acm线与PSK线之间时的组织，从A中析出的称为二次渗碳体。
GS线：不同含碳量的奥氏体冷却时析出铁素体的开始线称A3线，GP线则是铁素体析出的终了线，所以GSP区的显微组织是。
PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线，随温度的降低，碳在铁素体中的溶解度减少，多余的碳以形式析出，从中析出的称为三次渗碳体，由于铁素体含碳很少，析出的很少，一般忽略，认为从727℃冷却到室温的显微组织不变。
PSK线：共析转变线，在这条线上发生共析转变，产物（P）珠光体，含碳量在0.02～6.69%的铁碳合金冷却到727℃时都有共析转变发生。
5、简述 Fe-Fe3C 相图中三个基本反应：包晶反应，共晶反应及共析反应，写出反应式，标出含碳量及温度。
答：共析反应：冷却到727℃时具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物。γ0.8F0.02+Fe3C6.69
包晶反应：冷却到1495℃时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相δ反应生成具有J点成分的固相A。 L0.5+δ0.1γ0.16
共晶反应：1148℃时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物。 L4.3γ2.14+ Fe3C6.69
6、亚共析钢、共析钢和过共析钢的组织有何特点和异同点。
答：亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成。其中铁素体呈块状。珠光体中铁素体与渗碳体呈片状分布。共析钢的组织由珠光体所组成。过共析钢的组织由珠光体和二次渗碳体所组成，其中二次渗碳体在晶界形成连续的网络状。
共同点：钢的组织中都含有珠光体。
不同点：亚共析钢的组织是铁素体和珠光体，共析钢的组织是珠光体，过共析钢的组织是珠光体和二次渗碳体。
7、分析含碳量分别为0.60%、0.77%、1.0% 的铁碳合金从液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织。
答：0.77%C:在1～点间合金按匀晶转变结晶出A，在2点结晶结束，全部转变为奥氏体。冷到3点时（727℃），在恒温下发生共析转变，转变结束时全部为珠光体P，珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体，当温度继续下降时，珠光体中铁素体溶碳量减少，其成分沿固溶度线PQ变化，析出三次渗碳体Fe3CIII，它常与共析渗碳体长在一起，彼此分不出，且数量少，可忽略。室温时组织P。
0.60% C：合金在1～2间按匀晶转变结晶出A，在2点结晶结束，全部转变为奥氏体。冷到3点时开始析出F，3～4点A成分沿GS线变化，铁素体成分沿GP线变化，当温度到4点时，奥氏体的成分达到S点成分（含碳0.77%），便发生共析转变，形成珠光体，此时，原先析出的铁素体保持不变，称为先共析铁素体，其成分为0.0218%C，所以共析转变结束后，合金的组织为先共析铁素体和珠光体，当温度继续下降时，铁素体的溶碳量沿PQ线变化，析出三次渗碳体，同样Fe3CIII量很少，可忽略。所以含碳0.40%的亚共析钢的室温组织为：F+P
1.0% C：合金在1～2点间按匀晶转变结晶出奥氏体，2点结晶结束，合金为单相奥氏体，冷却到3点，开始从奥氏体中析出二次渗碳体Fe3CII，Fe3CII沿奥氏体的晶界析出，呈网状分布，3-4间Fe3CII不断析出，奥氏体成分沿ES线变化，当温度到达4点（727℃）时，其含碳量降为0.77%，在恒温下发生共析转变，形成珠光体，此时先析出的Fe3CII保持不变，称为先共析渗碳体，所以共析转变结束时的组织为先共析二次渗碳体和珠光体，忽略Fe3CIII。室温组织为二次渗碳体和珠光体。
8、指出下列名词的主要区别：
一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体与共析渗碳体。
答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。
二次渗碳体：从A中析出的称为二次渗碳体。
三次渗碳体：从中析出的称为三次渗碳体。
共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。
共析渗碳体：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。
9、根据 Fe-Fe3C 相图，计算：
⑴室温下，含碳 0.6% 的钢中珠光体和铁素体各占多少；
⑵室温下，含碳 1.2% 的钢中珠光体和二次渗碳体各占多少；
⑶铁碳合金中，二次渗碳体和三次渗碳体的最大百分含量。
答：⑴Wp=(0.6-0.0218)/(0.77-0.0218)*100%=77.28% WF=1-77.28%=22.72%
⑵Wp=(2.11-1.2)/(2.11-0.77)*100%=69.91% WFe3CⅡ=1-69.91%=30.09%
⑶WFe3CⅡ=(2.11-0.77)/(6.69-0.77)*100%=22.64%
W Fe3CⅢ=0.0218/6.69*100%=0.33%
10、某工厂仓库积压了许多碳钢（退火状态），由于钢材混杂，不知道钢的化学成分，现找出其中一根，经金相分析后，发现其组织为珠光体+铁素体，其中铁素体占 80% ，问此钢材的含碳量大约是多少？
答：由于组织为珠光体+铁素体，说明此钢为亚共析钢。
Wα=80%=(0.77-WC)/(0.77-0.0218)*100% WC=0.17%
11、对某退火碳素钢进行金相分析，其组织的相组成物为铁素体+渗碳体（粒状），其中渗碳体占 18% ，问此碳钢的含碳量大约是多少？
答： WFe3CⅡ=18% =( WC-0.0218)/(6.69-0.0218)*100% WC=1.22%
12、对某退火碳素钢进行金相分析，其组织为珠光体+渗碳体（网状），其中珠光体占 93% ，问此碳钢的含碳量大约为多少？
答：Wp=93% =(2.11- WC)/(2.11-0.77)*100%=70% WC=0.86%
13、计算含碳量为1.4%C的铁碳合金在700℃下各个相及其组分数量和成分。
答：含1.4%C铁碳合金属于过共析钢，其组织为珠光体+二次渗碳体，相为铁素体和渗碳体。
珠光体：Wp=(2.11-1.4)/(2.11-0.77)*100%=50% 二次渗碳体：WFe3CⅡ=1-50%=50%
铁素体：Wα=（6.69-1.4）/（6.69-0.0218）*100%=79.33% 渗碳体：WFe3C=1-79.33%=20.67%
14、根据 Fe-Fe3C 相图，说明产生下列现象的原因：
⑴含碳量为 1.0% 的钢比含碳量为 0.5% 的钢硬度高；
⑵在室温下，含碳 0.8% 的钢其强度比含碳 1.2% 的钢高；
⑶在 1100℃，含碳 0.4% 的钢能进行锻造，含碳 4.0% 的生铁不能锻造；
⑷绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却用钢丝绳（用含碳量为0.60% 、 0.65% 、 0.70%、 0.75% 等钢制成）。
答：⑴钢中随着含碳量的增加，渗碳体的含量增加，渗碳体是硬脆相，因此含碳量为 1.0% 的钢比含碳量为 0.5% 的钢硬度高。
⑵因为在钢中当含碳量超过1.0%时，所析出的二次渗碳体在晶界形成连续的网络状，使钢的脆性增加，导致强度下降。因此含碳 0.8% 的钢其强度比含碳 1.2% 的钢高。
⑶在 1100℃时，含碳 0.4% 的钢的组织为奥氏体，奥氏体的塑性很好，因此适合于锻造；含碳 4.0% 的生铁的组织中含有大量的渗碳体，渗碳体的硬度很高，不适合于锻造。
⑷绑轧物件的性能要求有很好的韧性，因此选用低碳钢有很好的塑韧性，镀锌低碳钢丝；而起重机吊重物用钢丝绳除要求有一定的强度，还要有很高的弹性极限，而含碳量为0.60% 、 0.65% 、 0.70%、 0.75%的钢有高的强度和高的弹性极限。这样在吊重物时不会断裂。
四、选择题
1、质量一定的 γ-Fe转变为α-Fe时，体积( A )。
A、胀大； B、缩小； C、不变
2、碳在γ-Fe中的最大溶解度为( B )。
A、0.0218%； B、0.77%； C、2.11%； D、4.3%
3、渗碳体是一种具有复杂晶体结构的( B )。
A、间隙相； B、间隙化合物； C、间隙固溶体
4、铁碳合金在平衡结晶过程中，( C )。
A、只有含碳0.77% 的合金才有共析转变发生；
B、只有含碳小于2.06% 的合金才有共析转变发生；
C、含碳0.0218～6.69% 的合金都有共析转变发生
5、由( A )析出的渗碳体叫做三次渗碳体。
A、铁素体； B、奥氏体； C、液态金属
6、铁碳合金中，( C )组织为共晶反应产物。
A、铁素体； B、珠光体； C、莱氏体
7、平衡结晶时，凡含碳量( A )的铁碳合金，自1148℃冷至727℃时，均从奥氏体中析出二次渗碳体。
A、0.0218～6.69%； B、0.77～2.11% C、0.77～6.69%
8、一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体( B )。
A、晶体结构不同，组织形态相同；
B、晶体结构相同，组织形态不同；
C、晶体结构与组织形态都不同。
9、由于三次渗碳体的数量很少，故对( C )性能的影响可忽略不计。
A、工业纯铁； B、钢和铸铁； C、所有Fe-C合金
10、室温平衡状态下，钢中的碳绝大部分是以( B )形式存在于组织中。
A、铁素体； B、渗碳体； C、石墨碳
11、含碳量0.45% 的铁碳合金平衡结晶后，按相组成物计算，其中铁素体占( A )。
A、93.60%； B、42.77%； C、57.23%
12、钢的力学性能与( C )的数量、形态和分布有关。
A、铁素体； B、奥氏体； C、渗碳体
13、含碳1.2% 的铁碳合金平衡结晶时，727℃时的Fe3CⅡ量与冷至室温时的Fe3CⅡ量相比( )。
A、727℃时多； B、室温时多； C、一样多
14、平衡结晶时，从奥氏体中析出的Fe3CⅡ一般呈( C )状分布。
A、薄片； B、颗粒； C、网
五、判断题
( √ ) 1、奥氏体是C在γ-Fe中的间隙固溶体。
( √ ) 2、在室温平衡状态下，珠光体和莱氏体都是由F和Fe3C两种基本相组成的。
( √ ) 3、亚共析钢室温组织中珠光体的数量随含碳量增加而增加。
( × ) 4、含碳量＜0.77% 的铁碳合金平衡结晶时，奥氏体转变成铁素体的转变温度随含碳量增加而升高。
( × ) 5、铁碳合金中的机械混合物，其强度、硬度都比其组成相高。
( √ ) 6、共晶反应发生于所有含碳量大于2.11% 而小于6.69% 的铁碳合金中。
( √ ) 7、过共析钢平衡结晶时，从1148℃冷至727℃时，奥氏体的含碳量不断降低。
( √ ) 8、平衡状态下，铁碳合金的强度和硬度随含碳量增加而提高。
( √ ) 9、过共析钢的室温平衡组织由珠光体和二次渗碳体组成。
( √ ) 10、铁碳合金室温下平衡组织由铁素体和渗碳体组成。通常铁素体作为基体，而渗碳体作为第二相。
( ×　) 11、亚共析钢加热到AC1 ～AC3之间时，奥氏体的含碳量大于钢的含碳量。
( × ) 12、含碳量0.45% 的铁碳合金锻造时应加热到Fe-Fe3C相图中PSK线与GS线之间的温度范围。
( × ) 13、在Fe-Fe3C相图中，PQ线为碳在铁素体中的固溶线。
( × ) 14、在铁碳合金中，只有共析成分点的合金结晶时，才能发生共析转变，形成共析组织。
( × ) 15、在缓冷至室温条件下，碳的质量分数为0.8%的钢比碳的质量分数为1.2%的钢硬度低。
( × ) 16、共析钢由液态缓冷至室温时析出的二次渗碳体，在组织形态与晶体结构方面均与一次渗碳体不同。

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