鐵碳合金相圖教學(xué)初探

摘 要 鐵碳合金相圖是《金屬工藝學(xué)》課程教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，是表示鐵碳合金組織、成分和溫度之間變化規(guī)律的圖形，在實(shí)際生產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)鐵碳合金相圖和它的教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了生動(dòng)、全面的分析，希望可以使原本枯燥難懂的理論變得形象。

關(guān)鍵詞 鐵碳合金相圖 組織 特性點(diǎn) 特性線

1 引言

相圖理論闡明了相區(qū)及相圖形成的規(guī)律，有利于學(xué)員理解不同相圖之間的內(nèi)在聯(lián)系，提高學(xué)習(xí)相圖理論的興趣，為深入學(xué)習(xí)和應(yīng)用復(fù)雜相圖打下基礎(chǔ)，鐵碳合金相圖是金屬材料學(xué)科中的一個(gè)重要內(nèi)容，在化工、冶金和材料等學(xué)科及相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域中都有著重要應(yīng)用。

2 掌握相圖的“形”是基礎(chǔ)

針對(duì)鐵碳合金相圖抽象、繁雜、難以開展教學(xué)的特點(diǎn)，教學(xué)中可以先讓學(xué)員認(rèn)識(shí)相圖的“形”。先把相圖的完整圖形呈現(xiàn)給學(xué)員，然后像講解地圖那樣對(duì)相圖進(jìn)行詳細(xì)分析。最終使學(xué)生理解相圖是表示極緩慢冷卻和加熱條件下合金成分、狀態(tài)、和溫度之間的變化關(guān)系的圖形，即相圖上的點(diǎn)是采用熱分析法測(cè)定的合金的臨界轉(zhuǎn)變溫度，相圖上的線是某些具有相同的點(diǎn)的集合，而相區(qū)是由特性線分割的不同組織的分布區(qū)域。

鐵碳合金相圖如下圖所示：

我們可以把鐵碳合金相圖的形概括為十一個(gè)字：兩平、三垂、五弧、九點(diǎn)、十二區(qū)。

“兩平”——是指兩條與橫坐標(biāo)平行的特殊線。即1148℃的共晶線ECF和727℃的共析線PSK。

“三垂”——是指含碳量為0.77%的共析成分和4.3%的共晶成分，以及含碳量為2.11%的鋼與鑄鐵的分界線。

“五弧”——是指液相線AC段和CD段，固相線AE段，鐵素體與奧氏體相互轉(zhuǎn)變線GS，以及碳在奧氏體中的溶解度曲線ES。

“九點(diǎn)”——即相圖上由字母標(biāo)出的A，C，D，E，G，S，P，Q，K等臨界點(diǎn)，它們是相圖上最基本的組成。

3 理解組織轉(zhuǎn)變規(guī)律是關(guān)鍵

當(dāng)學(xué)員對(duì)相圖有“形”的認(rèn)識(shí)后，在講相圖中組織轉(zhuǎn)變規(guī)律之前，對(duì)相圖上的重要點(diǎn)——共晶點(diǎn)（C）LC=A+Fe3C、共析點(diǎn)（A）AS=F+Fe2C和重要線——共晶線ECF（1148℃）、共析線PSK（727℃）應(yīng)特別注意講解，這是相圖的關(guān)鍵之處，是本節(jié)課的難點(diǎn)所在，因?yàn)橐肜斫庀鄨D中十二種組織的變化規(guī)律，就應(yīng)從不同成分的合金的結(jié)晶過程入手。在分析結(jié)晶的過程中，重點(diǎn)是分析它們的結(jié)晶順序及結(jié)晶過程、重結(jié)晶過程時(shí)各相中含碳量的變化與相圖中溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

即要以共析與共晶為基礎(chǔ)，在共晶溫度以上時(shí)，（以C=4.3%成分為分界線）左邊先結(jié)晶出奧氏體（A）相，剩余的液相成分向共晶成分（C =4.3%）轉(zhuǎn)化，右邊先結(jié)晶出一次滲碳體（Fe3CⅠ）相，剩余的液相成分也向共晶成分（C=4.3%）轉(zhuǎn)化，即發(fā)生共晶反應(yīng)LC=A+Fe3C ，這是必須講透徹的難點(diǎn)之一。

其次，在共晶與共析的奧氏體（以C=0.77%的成分為分界線）隨著結(jié)晶溫度的降低，左邊要析出鐵素體（F），右邊要析出二次滲碳體（Fe3CⅡ）相，使未轉(zhuǎn)化的奧氏體中的含碳量向共析成分（C=0.77%）轉(zhuǎn)化，即發(fā)生共析反應(yīng)AS=F+Fe3C，這是第二個(gè)難點(diǎn)。

再者，就是共析成分（C=0.77%）右側(cè)，共晶線（1148℃）與共析線（727℃）之間的奧氏體，其含碳量是沿碳在奧氏體中溶解度線（ES）變化的，緩慢冷卻時(shí)是要析出二次滲碳體（Fe3CⅡ）相的。只要把握以上三個(gè)難點(diǎn)，學(xué)員就會(huì)很容易地掌握相圖中各相的分布規(guī)律及成分、溫度與組織三者間的關(guān)系。

除此之外，還要讓學(xué)員了解，相圖只是表示了平衡條件下的合金狀態(tài)、成分和溫度之間的變化關(guān)系，而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于實(shí)際的加熱和冷卻速度要比平衡條件下快得多，在這種非平衡狀態(tài)下，相圖中的特征點(diǎn)、特征線都要發(fā)生偏移，發(fā)生滯后現(xiàn)象，實(shí)際的加熱和冷卻速度越快，滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重。

4 綜合運(yùn)用相圖理論是目的

鐵碳合金相圖是本章乃至全書的重點(diǎn)內(nèi)容，本節(jié)包括鐵碳合金相圖組成、鐵碳合金相圖中特征點(diǎn)、線的含義及各區(qū)域內(nèi)的組織、鐵碳合金的分類、鐵碳合金的成分、組織與性能的關(guān)系、鐵碳合金相圖的應(yīng)用五個(gè)部分。

前兩個(gè)內(nèi)容已貫穿相圖始終，第三個(gè)內(nèi)容鐵碳合金的分類，利用繪制好的相圖，分別以成分線C=0.00218% ，C=2.11%和C=6.69%為界，劃分出工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵，并結(jié)合教材的列表形式，給出各種材料的室溫組織，含碳量、顯微組織及性能特點(diǎn)等，采用對(duì)比教學(xué)法，使學(xué)員對(duì)鐵碳合金的室溫組織有較為全面的了解。

第四個(gè)內(nèi)容——鐵碳合金的成分、組織與性能的關(guān)系，是本節(jié)畫龍點(diǎn)睛的部分，要特別強(qiáng)調(diào)，鐵碳合金的成分與組織的關(guān)系是：隨著含碳量的增加，組織中的鐵素體逐漸減少，滲碳體逐漸增加；鐵碳合金的成分與性能的關(guān)系是：當(dāng)含碳量小于0.9%時(shí)，隨著含碳量增加，鋼的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降；當(dāng)含碳量大于0.9%時(shí)，隨著含碳量增加，鋼的硬度仍然提高，但鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性下降，由于出現(xiàn)了網(wǎng)狀滲碳體的緣故，故生產(chǎn)中鋼的實(shí)際含碳量一般小于1.4%。

第五個(gè)內(nèi)容——鐵碳合金相圖的應(yīng)用，突出相圖在選材及鑄、鍛、焊、熱處理方面的指導(dǎo)作用，說明各種加工工藝與相圖有著密切的關(guān)系。

總之，本節(jié)中鐵碳合金相圖是“帥”，統(tǒng)領(lǐng)這幾部分的內(nèi)容。能夠通過這一節(jié)的學(xué)習(xí)，綜合運(yùn)用相圖理論來分析問題、解決問題，為后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，這才是教學(xué)最終的目的。

5結(jié)束語

在講解相圖的過程中除了在開始認(rèn)識(shí)相圖時(shí)必要的板書和板圖外，在相圖的分析和講解中把相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)和不同成分合金冷卻過程中組織變化的規(guī)律，通過使用多媒體課件的動(dòng)畫演示加以展現(xiàn)，調(diào)動(dòng)學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性，加深學(xué)員對(duì)相圖的理解和掌握，將會(huì)獲得語言表述所無法達(dá)到的教學(xué)效果，還應(yīng)多方收集教學(xué)資料，閱讀大量的教學(xué)書籍，認(rèn)真學(xué)習(xí)教育教學(xué)理論，不斷提高教學(xué)技藝和專業(yè)水平，精心組織，把握教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，千方百計(jì)調(diào)動(dòng)學(xué)員學(xué)習(xí)積極性，借助試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)等方式使教學(xué)內(nèi)容具體化、形象化，會(huì)對(duì)鐵碳合金相圖理解和掌握起到事半功倍的作用。

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[3]王體民：《鐵碳合金相圖教學(xué)研究》[J]，《中國(guó)科技創(chuàng)新導(dǎo)刊》，2008年第9期

作者簡(jiǎn)介：

陳昕陽：（1985～），男，江蘇徐州人，空軍勤務(wù)學(xué)院航空兵軍交運(yùn)輸指揮系機(jī)械基礎(chǔ)教研室助教，主要從事計(jì)算機(jī)繪圖教學(xué)研究。