各個擊破“鐵碳合金相圖”教學難點

摘 要：鐵碳合金相圖的繪制、分析和應用是金屬材料與熱處理教學中的重點，也是難點。本文提供了破解“鐵碳合金相圖”教學難點的方法，只有化解該難點，掌握并靈活運用鐵碳合金相圖，才能充分理解這門課及其他各章節(jié)的知識。

關鍵詞：鐵碳合金相圖 成分 內部組織 性能 分析

金屬材料與熱處理是技工院校機械類專業(yè)中的一門專業(yè)基礎課，通過對這門課的學習，可以幫助學生理解材料的成分、內部組織、熱處理工藝與性能之間的關系；掌握它們的內在規(guī)律；了解通過控制金屬材料的成分和冷、熱加工工藝過程來控制其組織，提高材料性能，或獲得具有某種特殊性能的新材料知識。最終達到培養(yǎng)學生正確選擇和合理使用材料，掌握熱處理工藝規(guī)范等多方面的能力。

學校五年制數(shù)控、模具、焊接等機械專業(yè)高技班選用的是中國勞動社會保障出版社的全國高等職業(yè)技術院校機械類專業(yè)通用教材《金屬材料與熱處理》第五版，其中第三章第三節(jié)是鐵碳合金相圖。鐵碳合金相圖建立、識讀和應用是第三章的難點，也是重點，如果沒有掌握好，那么學生對本章節(jié)及其他章節(jié)某些知識只會一知半解。金屬材料中鋼和鑄鐵是工業(yè)中應用最廣的鐵碳合金，要掌握各種鋼和鑄鐵的組織性能特點及熱處理原理，首先必須了解鐵碳合金的成分、組織與性能之間的相互關系，鐵碳合金相圖就是研究鐵碳合金的組織與性能關系的重要工具。它為鐵碳合金的選材提供理論依據(jù)，同時又是制定鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工工藝的重要依據(jù)之一。所以這部分知識是這門課程整個教學內容的重點，它起到一個承前啟后、提綱挈領的作用，在整個知識體系中占有重要的地位。

鐵碳合金相圖是難點，筆者在教學中發(fā)現(xiàn)，由于這部分知識的內容較為抽象，又沒有具體實驗和教具可以演示，加上技校的學生缺少實踐方面的認識，教和學都存在一定的難度。筆者嘗試將其進行分解，然后采用各個擊破、集體記憶等方法，效果不錯，也希望以此能與各位同行共同切磋。

一、三步設疑導入

對于非金屬材料與熱處理專業(yè)的學生只需要掌握簡化后的Fe-Fe3C相圖，即教材39頁圖3-19。它看起來真像一張縱橫交錯的漁網(wǎng)。如果我們在進入該內容之前沒有很好地引導而直接進入的話，學生多半會被表面的“復雜假象”所“網(wǎng)”住，求知的步履就會受到阻絆。

通過三步設疑引導：

第一，金屬材料應用廣泛，而碳鋼和鑄鐵更是工業(yè)上最廣泛、最重要的金屬材料。不同成分的鐵碳合金性能不一樣，如車間里接觸到的45鋼和灰鑄鐵。相同成分的鐵碳合金經(jīng)過不同的熱處理性能也不一樣，想知道為什么嗎？學完鐵碳相圖就能知分曉。

第二，向學生強調Fe-Fe3C相圖的重要——Fe-Fe3C相圖是理解和應用金屬材料的重點知識的必備工具，是這門課的重點。每位同學均須“不擇手段”牢記它。

第三，不要被它的復雜假象所嚇倒，我們有對付它的方法——分而擊之。

二、鐵碳相圖組成簡介——合金相圖的三要素

制造刀具的刃具鋼、制造模具的模具鋼、制造量具的量具鋼、制造機床的鑄鐵……包括蘇通大橋的斜拉繩鋼材等等種類繁多。許許多多鐵碳合金各自在自己的“崗位”上體現(xiàn)出不同的性能，發(fā)揮著不同的作用。那么煉鋼廠的師傅們是如何“變化”出這些種類不同的“神奇鋼鐵俠”呢？各種各樣鋼鐵材料為什么性能不同呢？它們的性能可以控制嗎？可以改變嗎？

其實只要（主要）控制好兩個因素：碳的含量及溫度，就可以完成上面的任務。通過碳的含量變化就可以得到不同種類的鋼鐵；相同種類的鋼材改變溫度就能改變鋼材性能。這樣鐵碳合金相圖的三要素——鐵碳合金成分、性能（組織）和溫度三者出來了。體現(xiàn)在圖中就是以橫坐標表示碳含量的變化，以縱坐標表示溫度的變化，相關曲線圍成的區(qū)域以符號表示組織的變化（圖1）?；疽蛩厥遣牧铣煞旨皽囟葪l件的變化，即使是同一種鋼材，經(jīng)不同溫度的處理方法（熱處理），也會產(chǎn)生不同的材料特性。

三、感性記憶，直觀繪制相圖框架

在展開講解前我們需要直觀地動畫繪制框架圖（圖2）。

一是畫矩形標兩個決定性要素（包括名稱、單位、范圍）即橫坐標（表示碳含量的變化）：Fe、Fe3C、C/%、0、6.69；縱坐標（表示溫度的變化）T/℃

二是畫主要線，“兩條水平直線（PSK，ECF），兩對翅膀（AE、AC對 CD， GS對SE ）”?？身槺闾嵋幌聻槭裁碈D是點畫線。

三是標注S、E、C三點的含碳量，標注A、G、D三點的溫度。有選擇地介紹特性點的含義：①兩熔點A、D，②共晶點C、共析點S，③同素異構轉變點G，④碳在γ-Fe中最大溶解度點E。

四、填寫組織，輸入鐵碳相圖的“血肉”

方法：首先通過講解兩大轉變理解地填寫各區(qū)域組織。

上半部分——共晶轉變（包括亞共晶轉變和過共晶轉變）。

下半部分——共析轉變（包括亞共析轉變和過共析轉變）。

然后通過介紹鐵碳相圖中的特性線：ACD線、AECF線、ECF線，PSK線（A1線），GS線（A3線），ES線（ACM線）等的含義鞏固記憶各區(qū)域組織（圖3）。

五、雙向看圖，學會識圖

對不同種類的鐵碳合金在圖上的分布區(qū)域，可記“左鐵中鋼右鑄鐵”等。識讀分析鐵碳合金相圖抓住兩個方向：縱向——鐵碳合金組織隨溫度變化而發(fā)生轉變；橫向——鐵碳合金組織隨成分變化而變化（重點掌握室溫）。這是識讀鐵碳合金相圖的方法，也是不同成分的鐵碳合金性能不一樣，相同成分的鐵碳合金經(jīng)過不同的熱處理性能也不一樣的本質原因所在。

六、集體記憶：自主學習中收獲全部所學

最后為了檢驗學生理解記憶相圖情況，還可以借鑒考慮用一種集體記憶的方法。全班按照自然組分四組參與，分別選派二位選手，分二批上黑板默寫相圖。要求：第一位畫出圖形框架，第二位完成各區(qū)域組織的填寫。選手不能重復上臺，完成任務后全班共同評議。最好最快的學生得10分，其他依次為8分、6分、4分，前一步驟未完成的學生可以請本組其他同學幫忙，但是不得分，最后總結評比。

這是一種寓教于樂的教學方法，學生對這樣的方式會保持較高的熱情，他們會在游戲中保持高度的注意力，每個人都會為自己、為全組同學努力，從而掌握并牢記住相圖。

（作者單位：南通工貿技師學院）