题目

根据 Fe-Fe₃C 相图，解释下列现象：1) 在室温下，w_c = 0.8% 的碳素钢比 w_c = 0.4% 碳素钢硬度高，比 w_c = 1.2% 的碳素钢强度高。2) 钢铆钉一般用低碳钢制造。3) 绑扎物件一般用镀锌低碳钢丝（俗称铁丝），而起重机[1]吊重物时都用钢丝绳（用 60 钢、65 钢等制成）。4) 在 1000^circmathrm(C) 时，w_c = 0.4% 的钢能进行锻造，而 w_c = 4.0% 的铸铁不能进行锻造。5) 钳工锯削 T8、T10、T12 等退火钢料比锯削 10 钢、20 钢费力，且锯条易磨钝。6) 钢适宜压力加工成形，而铸铁适宜铸造成形。

根据 Fe-Fe₃C 相图，解释下列现象：

1) 在室温下，$w_c = 0.8\%$ 的碳素钢比 $w_c = 0.4\%$ 碳素钢硬度高，比 $w_c = 1.2\%$ 的碳素钢强度高。

2) 钢铆钉一般用低碳钢制造。

3) 绑扎物件一般用镀锌低碳钢丝（俗称铁丝），而起重机[1]吊重物时都用钢丝绳（用 60 钢、65 钢等制成）。

4) 在 $1000^{\circ}\mathrm{C}$ 时，$w_c = 0.4\%$ 的钢能进行锻造，而 $w_c = 4.0\%$ 的铸铁不能进行锻造。

5) 钳工锯削 T8、T10、T12 等退火钢料比锯削 10 钢、20 钢费力，且锯条易磨钝。

6) 钢适宜压力加工成形，而铸铁适宜铸造成形。

题目解答

答案

1. w_c = 0.8%的钢为100%珠光体（P），硬度高于w_c = 0.4%的钢（F + P）；而w_c = 1.2%的钢中Fe₃CⅡ呈网状分布，导致脆性增加，强度低于w_c = 0.8%的钢。 2. 低碳钢（w_c < 0.25%）塑性好，适合冷铆接，故钢铆钉用低碳钢制造。 3. 绑扎铁丝需高塑性，用低碳钢；起重机钢丝绳需高强度，用60钢、65钢等中高碳钢。 4. 1000℃时，w_c = 0.4%的钢为单相A，塑性好，可锻造；w_c = 4.0%的铸铁含Fe₃C和Ld，塑性差，无法锻造。 5. T8、T10、T12退火后含Fe₃CⅡ，硬度高，锯削费力且易磨钝；10钢、20钢硬度低，锯削省力。 6. 钢在高温下为单相A，塑性好，适合压力加工；铸铁流动性好，适合铸造，但塑性差，无法压力加工。

解析

本题主要考察对 Fe - Fe₃C 相图的理解以及运用相图知识解释不同含碳量碳素钢和铸铁的性能差异及应用场景。解题思路是根据相图确定不同含碳量材料在特定温度下的组织组成，再结合组织与性能的关系来解释各种现象。

1) 在室温下，$w_c = 0.8\%$ 的碳素钢比 $w_c = 0.4\%$ 碳素钢硬度高，比 $w_c = 1.2\%$ 的碳素钢强度高。

  • 对于含碳量 $w_c = 0.8\%$ 的碳素钢，根据 Fe - Fe₃C 相图，在室温下其组织为 100%珠光体（P）。珠光体是铁素体（F）和渗碳体（$Fe_3C$）的机械混合物，具有较高的硬度。
  • 含碳量 $w_c = 0.4\%$ 的碳素钢，室温组织为铁素体（F）和珠光体（P）的混合组织。由于铁素体的硬度较低，所以整体硬度低于 100%珠光体的 $w_c = 0.8\%$ 的钢。
  • 含碳量 $w_c = 1.2\%$ 的碳素钢，室温组织中除了珠光体外，还会出现二次渗碳体（$Fe_3C_{Ⅱ}$），且 $Fe_3C_{Ⅱ}$ 呈网状分布在珠光体晶界上。网状的 $Fe_3C_{Ⅱ}$ 会严重割裂基体，使材料的脆性增加，强度降低，因此其强度低于 $w_c = 0.8\%$ 的钢。

2) 钢铆钉一般用低碳钢制造。

  • 低碳钢是指含碳量 $w_c < 0.25\%$ 的钢。根据 Fe - Fe₃C 相图，在常温下低碳钢的组织主要是铁素体（F），铁素体具有良好的塑性和韧性。
  • 钢铆钉在使用过程中需要进行冷铆接，即通过冷变形将铆钉固定。良好的塑性使得低碳钢在冷变形过程中不易产生裂纹，能够满足冷铆接的工艺要求，所以钢铆钉一般用低碳钢制造。

3) 绑扎物件一般用镀锌低碳钢丝（俗称铁丝），而起重机吊重物时都用钢丝绳（用 60 钢、65 钢等制成）。

  • 绑扎物件时，需要材料具有良好的塑性，以便能够弯曲和缠绕。低碳钢的含碳量低，室温组织主要是铁素体，具有较高的塑性，能够满足绑扎的要求，所以绑扎物件一般用镀锌低碳钢丝。
  • 起重机吊重物时，钢丝绳需要承受很大的拉力，因此需要材料具有较高的强度。60 钢、65 钢等属于中高碳钢，含碳量相对较高，经过适当的热处理后，其组织中会有较多的珠光体甚至渗碳体，从而具有较高的强度，能够满足起重机吊重物的要求。

4) 在 $1000^{\circ}\mathrm{C}$ 时，$w_c = 0.4\%$ 的钢能进行锻造，而 $w_c = 4.0\%$ 的铸铁不能进行锻造。

  • 对于含碳量 $w_c = 0.4\%$ 的钢，根据 Fe - Fe₃C 相图，在 $1000^{\circ}\mathrm{C}$ 时其组织为单相奥氏体（A）。奥氏体具有良好的塑性，在锻造过程中能够承受较大的变形而不破裂，所以可以进行锻造。
  • 含碳量 $w_c = 4.0\%$ 的铸铁，在 $1000^{\circ}\mathrm{C}$ 时其组织中含有渗碳体（$Fe_3C$）和莱氏体（$Ld$）。渗碳体是一种硬而脆的相，莱氏体在高温下也具有较高的硬度和脆性，整体塑性很差，在锻造过程中容易破裂，因此不能进行锻造。

5) 钳工锯削 T8、T10、T12 等退火钢料比锯削 10 钢、20 钢费力，且锯条易磨钝。

  • T8、T10、T12 钢属于高碳钢，含碳量分别为 0.8%、1.0%、1.2%。经过退火处理后，其组织中仍然含有较多的渗碳体（$Fe_3C$），特别是二次渗碳体（$Fe_3C_{Ⅱ}$）。渗碳体的硬度很高，使得这些钢料的硬度也较高。
  • 10 钢、20 钢属于低碳钢，含碳量分别为 0.1%、0.2%，室温组织主要是铁素体，硬度较低。
  • 由于 T8、T10、T12 等退火钢料硬度高，在锯削过程中需要克服更大的阻力，所以钳工锯削时会更费力，同时也会使锯条更容易磨损变钝。

6) 钢适宜压力加工成形，而铸铁适宜铸造成形。

  • 钢在高温下（如锻造温度范围），其组织通常为单相奥氏体（A）。奥氏体具有良好的塑性和流动性，在压力作用下能够发生较大的变形而不破裂，适合进行压力加工，如锻造、轧制等。
  • 铸铁的含碳量较高，一般在 2.11% - 6.69% 之间。铸铁具有良好的流动性，在液态时能够很好地填充铸型，适合铸造成形。但铸铁的组织中含有大量的渗碳体，塑性很差，在压力加工过程中容易破裂，因此不适合进行压力加工。