《鐵碳相圖》的教學(xué)方法探討與實(shí)踐

王　勇，顧　鋒，姜　寧，周小青

（南通職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通226000）

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《鐵碳相圖》的教學(xué)方法探討與實(shí)踐

王勇，顧鋒，姜寧，周小青

（南通職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通226000）

摘要：鐵碳相圖對(duì)于鋼鐵材料的應(yīng)用和熱處理工藝的制訂有十分重要的意義，也是《金屬工藝學(xué)》等課程教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。本文從課堂教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，對(duì)這部分的內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)和提煉，提煉出相圖的六個(gè)成分點(diǎn)和六個(gè)溫度點(diǎn)，以點(diǎn)連線容易得到簡(jiǎn)化版的鐵碳相圖。同時(shí)在教學(xué)中引入了課堂討論和課后計(jì)算來(lái)辨明概念加深理解。最后特別強(qiáng)調(diào)鐵碳相圖的應(yīng)用及其局限性。

關(guān)鍵詞：鐵碳相圖；金屬；教學(xué)

1　鐵碳相圖在課堂教學(xué)中的重要性

鋼鐵是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，是工業(yè)上應(yīng)用最多，用途最廣的金屬材料，它們都是鐵碳合金，而鐵碳合金相圖則是鋼和鑄鐵的重要理論基礎(chǔ)，用Fe-Fe3C相圖對(duì)典型成分的鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行分析，可進(jìn)一步掌握鐵碳合金成分—組織—性能之間的關(guān)系，進(jìn)行合理的選材以及制定熱處理、冷熱加工工藝[1]。

毋庸置疑，鐵碳相圖是《金屬工藝學(xué)》等金屬材料相關(guān)課程的重點(diǎn)內(nèi)容之一，它既是常用二元相圖的一個(gè)典型實(shí)例，也是后續(xù)碳鋼、鑄鐵和熱處理的基礎(chǔ)，是每個(gè)學(xué)生都必須掌握的基本內(nèi)容[2-3]。

然而，鐵碳相圖卻是教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，授課老師如何教才能讓學(xué)生更容易接受，學(xué)生如何學(xué)才能更好的消化和掌握，破解“教師難教，學(xué)生難學(xué)”的問(wèn)題。因此，在教學(xué)中進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)和設(shè)置課內(nèi)討論是完全有必要的。本文就是針對(duì)這樣的情況，總結(jié)筆者在教學(xué)中的思考與探索，與同行切磋探討。

2　課堂教學(xué)方法探索

2.1鐵碳相圖的繪制要點(diǎn)

（1）.純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特性是鋼可以熱處理的前提條件

根據(jù)純鐵可以發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)，即隨著溫度的降低，純鐵從液相（純鐵的熔點(diǎn)1538℃）開(kāi)始依次發(fā)生L-δ-γ-α的相的轉(zhuǎn)變，其中γ-Fe與α-Fe的相互轉(zhuǎn)變（912℃）是工程類(lèi)學(xué)生需要掌握的重點(diǎn)。

在教學(xué)中對(duì)于這部分內(nèi)容，可以做兩個(gè)拓展：

拓展1：與學(xué)生共同來(lái)回顧γ-Fe和α-Fe的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型和特點(diǎn)，如致密度等概念；

拓展2：設(shè)下一個(gè)伏筆，給學(xué)生一個(gè)期待，那就是為什么純鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)是鋼的熱處理、甚至鑄造、焊接等熱加工工藝（后續(xù)教學(xué)內(nèi)容）得以實(shí)施的前提條件。

（2）兩種重要的固溶體（鐵素體和奧氏體）

循著剛才的教學(xué)思路，帶領(lǐng)學(xué)生繼續(xù)探索，通過(guò)前人的實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，γ-Fe和α-Fe這兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)中是可以溶解一定量的碳原子（即溶碳量），并且通常是以碳原子躲藏在晶格的間隙這樣的形式而形成間隙固溶體，分別稱之為奧氏體和鐵素體，記作A和F.

當(dāng)然，這兩種固溶體A和F的溶碳量（或者稱之為溶碳能力）是不同的，并且各自在不同的溫度下其溶碳量也是不同的。見(jiàn)表1.

表1　鐵素體和奧氏體中溶碳量的比較

在教學(xué)中對(duì)于這部分內(nèi)容，也可以做如下拓展：拓展3：隨著溫度的降低其溶碳量也降低，溶解在F或A中的碳原子必須從F或A中析出，析出的碳原子它去哪里了？

經(jīng)過(guò)討論和觀察相圖，可以發(fā)現(xiàn)，一種重要的析出物是金屬化合物，F(xiàn)e3C，也稱之為滲碳體，它的碳含量為6.69%，熔點(diǎn)為1227℃.之所以認(rèn)為滲碳體是重要的析出物，是因?yàn)樗哂械娜咛匦裕ǜ呷埸c(diǎn)、高硬度、高脆性），并且通常作為組織的強(qiáng)化相。

需要指出的是，另一種析出物則是石墨。這是弱化相，在“鑄鐵”章節(jié)中會(huì)有介紹。

（3）兩種重要的轉(zhuǎn)變（共晶轉(zhuǎn)變和共析轉(zhuǎn)變）

鐵碳合金在平衡結(jié)晶過(guò)程中溫度冷至1148℃，在碳含量為4.3%成分的液相發(fā)生共晶反應(yīng)，共晶反應(yīng)的產(chǎn)物奧氏體（含碳量2.11%）和滲碳體（含碳量6.69%）的混合物，叫萊氏體。合金冷至727℃，在碳含量為0.77%成分的奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物是鐵素體（含碳量0.0218%）和滲碳體（含碳量6.69%）的共析混合物，叫珠光體。至此，簡(jiǎn)化版的鐵碳相圖的關(guān)鍵點(diǎn)全部找到，見(jiàn)下表2.

表2　鐵碳相圖中關(guān)鍵點(diǎn)及溫度、含義

這九個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)包含6個(gè)成分點(diǎn)，分別是0，0.0218，0.77，2.11，4.3，6.69，以及6個(gè)溫度點(diǎn)，分別是1538，1227，1148，912，727，以及0℃，見(jiàn)表3.

表3　鐵碳相圖中提煉出的12個(gè)點(diǎn)

從圖1可知，由12個(gè)點(diǎn)連成線，即可得到大致的鐵碳相圖。再運(yùn)用“兩只海鷗首尾相連”[4]的形象比喻，把1148和727℃的水平線比作海平面，很容易畫(huà)出“兩只海鷗”，馬上勾勒了鐵碳相圖的主要部分。這樣，學(xué)生聽(tīng)起來(lái)既有興趣，也容易記憶，便于學(xué)生掌握。

圖1　鐵碳相圖6個(gè)成分點(diǎn)和6個(gè)溫度點(diǎn)

2.2引導(dǎo)課堂討論，辨明基本概念

經(jīng)過(guò)上述的教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生不難畫(huà)出簡(jiǎn)化版的鐵碳相圖。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課堂討論，辨明一些基本概念，也起到溫故知新的作用，在此羅列了以下問(wèn)題。

（1）什么是相？什么是組織？什么是組織組成物？相和組織的關(guān)系？比如室溫時(shí)，共析鋼的平衡組織為珠光體，珠光體屬于組織，它的組成物是什么。

（2）什么是a-Fe，r-Fe?它們與鐵素體、奧氏體有什么關(guān)系？

（3）什么是杠桿定理，它的應(yīng)用條件是什么，如何用杠桿定理求組織的相對(duì)量。

2.3布置計(jì)算題，加深理解

通過(guò)布置一些用杠桿定理分析各組織的相對(duì)量（重量百分?jǐn)?shù)）的計(jì)算題，比如計(jì)算含碳量為0.4%、0.8%、1.2%、4.3%和5%的鐵碳合金在室溫時(shí)各組織的相對(duì)量，了解該合金在不同溫度下的相、組織、及其相對(duì)量，建立合金成分-組織-性能之間的關(guān)系。

3　課堂教學(xué)方法總結(jié)

通過(guò)在教學(xué)中提煉六個(gè)成分點(diǎn)和六個(gè)溫度點(diǎn)，學(xué)生容易畫(huà)出鐵碳相圖的網(wǎng)格點(diǎn)，通過(guò)聯(lián)接一些關(guān)鍵點(diǎn)，很容易描繪出鐵碳相圖，同時(shí)，應(yīng)用課堂討論和課后計(jì)算的辦法，辨明概念，加深理解，便于學(xué)生掌握和應(yīng)用。

同時(shí)，在教學(xué)中，還需要強(qiáng)調(diào)鐵碳相圖在選材、熱處理工藝等方面的應(yīng)用，以及其局限性，包括相圖描述的是平衡相，是在十分緩慢的冷卻和加熱條件下建立的，沒(méi)有反應(yīng)時(shí)間的作用，在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)快冷和快熱時(shí)，就不能直接應(yīng)用上述相圖進(jìn)行分析，如圖2.

圖2　不同冷卻速度下奧氏體的轉(zhuǎn)變[6]

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)滿清，徐更生，王海燕.《鐵碳合金相圖》的教學(xué)探究，安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)2010年第4期第9卷（總第49期），48-50

[2]曹維滌，張 建.鐵碳相圖課堂討論指示書(shū)，電視大學(xué)，1982，（1）:14-17

[3]楊雁霞.如何使學(xué)生掌握鐵碳合金相圖，職業(yè)教育研究，2004.8 56

[4]畢靜波.抓住“三種轉(zhuǎn)變”學(xué)好簡(jiǎn)明Fe-Fe3C相圖，職業(yè)技術(shù)，2010.02，39

[5]上海市機(jī)械制造工藝研究所主編，金相分析技術(shù)，上課科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1987，7.

[6]http://web.utk.edu/~prack/MSE%20300/FeC.pdf.

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）04-0254-03

收稿日期：2016-01-13

基金項(xiàng)目：校精品資源共享課程《機(jī)械制造基礎(chǔ)》（項(xiàng)目號(hào)JZ10）

作者簡(jiǎn)介：王勇（1973-），男，浙江臨海人，工學(xué)博士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

Study and Practice on Teaching of the Iron-Iron Carbide（Fe-Fe3C）Phase Diagram

WANG Yong，GU Feng，JIANG Ning，ZHOU Xiao-qing
（School of Mechanical Engineering，Nantong Vocational University，Nantong Jiangsu 226007，China）

Abstract:Iron-Iron Carbide（Fe-Fe3C）Phase Diagram is of great significance for the application of iron and steel materials and the development of heat treatment process.It is also the key content of the teaching of the course such as"metal technology".Six components points and six temperature points have been concluded in this paper with the help of the teaching practice，which can be easily used to draw the simplified version of the iron carbon phase diagram.At the same time，the classroom discussion and calculation after class can be help to identify the concept and to understand the diagram.Finally，the application of the iron carbon phase diagram and its limitations were special emphasized.

Key words:iron-iron carbide phase diagram；metal；teaching