基于分步誘導(dǎo)和互動(dòng)討論的鐵碳合金相圖教學(xué)實(shí)踐

李妙玲

(洛陽理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

基于分步誘導(dǎo)和互動(dòng)討論的鐵碳合金相圖教學(xué)實(shí)踐

李妙玲

(洛陽理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

為了建立高效的教學(xué)結(jié)構(gòu)模式，將分步誘導(dǎo)和互動(dòng)討論方法引入鐵碳合金相圖教學(xué)實(shí)踐中。首先解決為什么學(xué)習(xí)相圖的問題，再以相圖在粉末冶金材料制備中的經(jīng)典妙用作鋪墊，誘導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?；?dòng)討論方式建立在讓學(xué)生觀察相圖、提出問題的基礎(chǔ)上，教師圍繞問題講解，讓學(xué)生記錄重要數(shù)據(jù)，并復(fù)述重要數(shù)據(jù)表達(dá)的意義，繪制相圖、推導(dǎo)組織，實(shí)現(xiàn)理解記憶。這是一種將相圖基礎(chǔ)知識、鐵碳合金相圖繪制技巧、組織演變規(guī)律融合在一起高效教學(xué)方法。

分步誘導(dǎo)；互動(dòng)；討論；鐵碳合金相圖；組織

鐵碳合金相圖是長期生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)晶，是分析鋼和鑄鐵化學(xué)成分、顯微組織與性能關(guān)系的重要工具，是機(jī)器零件選材、確定熱處理及鑄鍛焊工藝的理論依據(jù)。全面掌握了該相圖，對金屬材料及其熱處理相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)就會非常輕松，為今后從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造工作或研究開發(fā)新材料、新工藝奠定良好的基礎(chǔ)。

在教學(xué)過程中，老師都會把鐵碳合金相圖作為重點(diǎn)內(nèi)容講解，并要求學(xué)生記住。但該相圖中點(diǎn)、線、相區(qū)較多，機(jī)械記憶很難、且容易忘記，還會使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，失去學(xué)習(xí)興趣。如何透徹地講解鐵碳合金相圖，并使學(xué)生理解、記憶、正確運(yùn)用相圖解決實(shí)際問題一直是教學(xué)中必須思考和探討的問題。

在教學(xué)實(shí)踐中，課題組教師采用了鋪墊誘導(dǎo)、分步滲透、互動(dòng)式討論等教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將相圖基礎(chǔ)知識、鐵碳合金相圖繪制技巧、組織演變規(guī)律融合滲透在一起，達(dá)到融會貫通、自我學(xué)習(xí)的目的。

1 鋪墊誘導(dǎo)引出鐵碳合金相圖

相圖本身就是一個(gè)抽象的概念，鐵碳合金相圖又很復(fù)雜，直接講解會使學(xué)生覺得突兀、難以接受。所以在講解鐵碳合金相圖之前，需要做足夠的鋪墊。

首先，為什么要學(xué)習(xí)相圖？由于合金的結(jié)晶過程遠(yuǎn)比純金屬復(fù)雜，同一合金系中元素比例不同將導(dǎo)致材料微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的迥異。為了給機(jī)械制造專業(yè)技術(shù)人員提供選材依據(jù)、為材料科技工作者提供研究理論依據(jù)，科技工作者在長期科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上繪制了各種合金系在及其緩慢冷卻條件下的結(jié)晶過程圖。

但是，語言的闡述不論多么生動(dòng)，還是難以引起學(xué)生的興趣。為此，老師們在課堂上以最簡單的銅鎳合金為例，配置一系列不同成分的合金，測出各合金的冷卻曲線，繪制在時(shí)間-溫度圖中。反問學(xué)生“可否將所有成分的銅鎳合金全部配置并測定冷卻曲線呢？”同學(xué)們一致認(rèn)為這是不現(xiàn)實(shí)。此時(shí)，課堂氣氛活躍起來，老師和同學(xué)們達(dá)成共識：科學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的是找出規(guī)律，指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，而不能窮盡實(shí)驗(yàn)。教師不失時(shí)機(jī)地引導(dǎo)學(xué)生從冷卻曲線圖上找出所有合金的結(jié)晶開始溫度和結(jié)晶終了溫度，不考慮結(jié)晶時(shí)間的情況下，連接相同意義的相變點(diǎn)，就得到了溫度-成分坐標(biāo)系中的銅鎳合金相圖。學(xué)生們很快接受了相圖的意義和用途，并認(rèn)為相圖原來不神秘。

然后，以相圖的神奇妙用吸引學(xué)生。相圖的應(yīng)用體現(xiàn)在結(jié)晶過程定性描述、相(組織)成分定量計(jì)算及其指導(dǎo)零件選材、制造工藝等方面。課本上對某成分合金的結(jié)晶分析過程雖然圖文并茂，但都是局限在結(jié)晶轉(zhuǎn)變示意圖上，或給出結(jié)晶后的顯微組織圖像。為了讓學(xué)生確實(shí)明白分析結(jié)晶過程的重要性，特意引入中科院金屬材料研究所王崇琳教授著的《相圖理論及其應(yīng)用》，王教授在“制取粉末高速鋼”時(shí)，他從鐵碳合金相圖中注意到了碳含量每提高0.1%，固相線溫度下降10℃，于是通過控制碳加入量來確定燒結(jié)溫度范圍，使粉末高速鋼的生產(chǎn)制備得以穩(wěn)定進(jìn)行。看著展示在面前的鐵碳合金相圖，學(xué)生無不佩服王教授，同時(shí)認(rèn)識到了相圖學(xué)習(xí)的重要性[1-2]。

最后，以公式推導(dǎo)帶動(dòng)學(xué)生。理工科的學(xué)生最擅長的是計(jì)算，在相圖學(xué)習(xí)中他的用武之地就是杠桿定律，一定要以此為切入點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的求知欲，讓學(xué)生有學(xué)習(xí)的成就感。先帶領(lǐng)學(xué)生分析杠桿定律的推導(dǎo)過程，再舉例計(jì)算不同組分在不同溫度時(shí)的質(zhì)量百分比。學(xué)習(xí)杠桿定律階段以Pb-Sn合金為例，等到鐵碳合金相圖引出后，就給學(xué)生假定角色，或作為材料檢驗(yàn)員、或作為新材料研發(fā)人員、或者售后服務(wù)人員，提出工作中遇到的難題等，令學(xué)生從不同的角度利用杠桿定律為自己的工作服務(wù)。通過模擬角色，杠桿定律在應(yīng)用中的重要性和關(guān)鍵點(diǎn)就暴露出來了，學(xué)生在不斷的解決問題中成長起來。

2 互動(dòng)式討論掌握鐵碳合金相圖

互動(dòng)式討論鐵碳合金相圖仍是當(dāng)仁不讓的主角。這張點(diǎn)、線、相區(qū)繁多的相圖可能會嚇倒同學(xué)們，教學(xué)中采用的互動(dòng)討論的方式逐步引導(dǎo)深入掌握。

首先，簡化相圖。鐵碳合金相圖左上角的包晶反應(yīng)部分在高溫區(qū)，對應(yīng)的組分區(qū)間小，但極大的增加了相圖理解的難度。教學(xué)中，將此部分略去，不影響相圖分析和應(yīng)用[3]。

然后，讓學(xué)生們觀察相圖，指出相圖中不認(rèn)識字母和符號。F、A、P、Fe3C、Ld、Ld′，一一被學(xué)生指出來。知道自己不認(rèn)識就要弄懂了，學(xué)生開始主動(dòng)在書中找答案。老師要引導(dǎo)學(xué)生先掌握三種基本相：F、A、Fe3C，各自的晶格結(jié)構(gòu)類型、含碳量、相變溫度，同時(shí)復(fù)習(xí)前述課中講過的固溶體、金屬化合物的性能；再將學(xué)生引導(dǎo)到兩種復(fù)合相P、Ld(Ld′)學(xué)習(xí)中，同時(shí)復(fù)習(xí)共晶反應(yīng)、共析反應(yīng)、彌散強(qiáng)化等概念。此時(shí)，教師要求學(xué)生在紙上記下概念中涉及到的重要溫度、含碳量，邊寫邊提問大家“此溫度和含碳量多少的鐵碳合金有聯(lián)系、出現(xiàn)什么反應(yīng)、組織是什么？”很快，學(xué)生就熟悉了這些字母符號代表的相或組織。

第三，動(dòng)手繪制相圖。先讓學(xué)生回顧相圖概念：銅鎳合金為例的相圖是如何得到的？它是溫度-成分坐標(biāo)系中相同相變意義點(diǎn)連線形成的合金結(jié)晶過程簡明圖解。明確之后，開始和老師一起繪圖。

①先畫出坐標(biāo)系：橫坐標(biāo)為碳含量，縱坐標(biāo)為溫度；在(左、右)縱坐標(biāo)上標(biāo)出學(xué)習(xí)基本相和復(fù)合相時(shí)記憶下來的溫度(200、727、912、1148、1538、1227℃)點(diǎn)；在橫坐標(biāo)上標(biāo)出碳含量特殊成分(0.0008、0.0218、0.77、2.11、4.3、6.69)%點(diǎn)。

②回顧溫度和含碳量的特殊對應(yīng)點(diǎn)：Q(0.0008，200℃)—室溫下鐵素體中碳的溶解度為0.0008%；P(0.0218，727℃)—727℃時(shí)鐵素體中碳的溶解度達(dá)到最大值0.0218%，含碳量大于0.0218%的鐵碳合金就會出現(xiàn)共析反應(yīng)；S(0.77，727℃)—含碳量為0.77%的鐵碳合金是共析鋼，727℃是共析溫度，此時(shí)奧氏體含碳量最低；E(2.11，1148℃)—1148℃時(shí)奧氏體中碳的溶解度達(dá)到最大值2.11%，含碳量大于2.11%的鐵碳合金就會出現(xiàn)共晶反應(yīng)；C(4.3，1148℃)—含碳量為4.3%鐵碳合金是共晶組織，1148℃是共晶溫度；D(6.69，1227℃)—含碳量6.69%的鐵碳合金全部是Fe3C組織，F(xiàn)e3C的熔點(diǎn)是1227℃；G(0，912℃)—純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度；A(0，1538℃)—純鐵的熔點(diǎn)。

③連接具有相同相變意義的點(diǎn)：727℃是共析溫度，含碳量大于0.0218%的鐵碳合金就會出現(xiàn)共析反應(yīng)，這是第一條水平線—共析線PSK；1148℃是共晶溫度，含碳量大于2.11%的鐵碳合金就會出現(xiàn)共晶反應(yīng)，這是第二條水平線—共晶線ECF；純鐵熔點(diǎn)A、Fe3C的熔點(diǎn)D為液固分界點(diǎn)，共晶點(diǎn)C同樣為液固分界點(diǎn)，連線ACD即為液相線；同時(shí)，E點(diǎn)共晶反應(yīng)開始，液固轉(zhuǎn)變結(jié)束，連線AE即為固相線；E點(diǎn)奧氏體中碳的溶解度最大2.11%，S點(diǎn)奧氏體中碳的溶解度最小0.77%，連線ES就是C在奧氏體中的溶解度變化線；G點(diǎn)γ-Fe轉(zhuǎn)化為α-Fe，發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，S點(diǎn)奧氏體(γ相)全部轉(zhuǎn)化為珠光體(F+Fe3C，F(xiàn)即是α相)，而P點(diǎn)奧氏體(γ相)全部轉(zhuǎn)化為F(α相)，這樣連接GS就是奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的開始線，連接GP就是奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的終了線；連接PQ自然就是碳在鐵素體中的溶解度變化線。

至此，相圖連線繪制完畢，剩余就是標(biāo)注相區(qū)產(chǎn)物和記憶相圖。相關(guān)文獻(xiàn)將相圖聯(lián)想為小鳥，很有想象力，值的借鑒[4]。但關(guān)鍵還要靠理解。教學(xué)中采用從自上而下(液相→液固共存→固相→二次析出相)，按照反應(yīng)類型(勻晶、共析、共晶、二次析出等)和組織演變規(guī)律把組織產(chǎn)物推導(dǎo)出來。同時(shí)，采用從左到右(工業(yè)純鐵→鋼→鑄鐵)，根據(jù)含碳量的不同(0%～0.0218%～0.77%～2.11%～4.3%～6.69%)，推導(dǎo)組織，利用多媒體展示圖片，引導(dǎo)學(xué)生觀察顯微組織變化，并逐步把組織與其性能聯(lián)系起來，再穿插材料應(yīng)用的相關(guān)例子，使學(xué)生在應(yīng)用中學(xué)習(xí)，達(dá)到事半功倍的效果。

3 結(jié)論

鐵碳合金相圖是機(jī)械工程材料課程教學(xué)中的重點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。后續(xù)課程機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造工藝等課程都要應(yīng)用，他是學(xué)生完成課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)的重要知識體系，用人單位在招聘考試中也常提到有關(guān)相圖的內(nèi)容，近機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生在今后的工作和深造中更是離不開相圖知識，只有學(xué)會并理解了相圖的內(nèi)涵，才能舉一反三、融會貫通。

經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐的檢驗(yàn)，只有多種方法并舉，將相圖基礎(chǔ)知識、鐵碳合金相圖繪制技巧、組織演變規(guī)律融合在一起，以讓學(xué)生理解記憶、自我學(xué)習(xí)為目的，才能收到良好的教學(xué)效果。

[1] 王崇琳.相圖理論及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社,2008.

[2] 李祖德.相圖分析在研發(fā)粉末冶金材料中的重要作用—《相圖理論及其應(yīng)用》有關(guān)章節(jié)學(xué)習(xí)筆記[J].粉末冶金技術(shù),2011,29(6):463-467.

[3] 王堯杰,修淑英.鐵碳合金相圖的繪制[J].新技術(shù)新工藝,2011(8):137-138.

[4] 劉敏惠.分步輕松掌握Fe-Fe3C相圖[J].黑龍江科技信息,2010(22):186.

(本文文獻(xiàn)格式：李妙玲.基于分步誘導(dǎo)和互動(dòng)討論的鐵碳合金相圖教學(xué)實(shí)踐[J].山東化工,2017,46(5):127-128.)

Teaching Practice on the Iron-carbon Alloy Phase Diagram Based on Step by Step Induction and Interactive Discussion

LiMiaoling

(Department of Mechanical Engineering,Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023,China)

In order to establish an efficient teaching mode,step by step induction and interactive discussion were introduced into the teaching practice on the iron-carbon alloy phase diagram.The problem,why studying the phase diagram,was first solved.The application of the iron-carbon alloy phase diagram in the preparation of powder metallurgy materials was given as an example.This stimulates the interest of students in learning.The interactive discussion was executed after the students were asked to observing the phase diagram and raising some questions.When a teacher was explaining an issue,the students must have recorded the important data.Next,the students were asked to retell the significance of the data,to draw the phase diagram and to deduce phase structures.This helps students to understand and memory the phase diagram.The method realizes such an integration with basic knowledge of phase diagrams,drawing skills of the iron carbon alloy phase diagram and evolution rules of phase structure.

step by step induction;interactive;discussion;the iron-carbon alloy phase diagram;phase structure

2017-02-06

河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2011B430016)

李妙玲(1970—)，女，河南洛陽人，博士，副教授，主要從事機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)和科研工作。

G642.4

B

1008-021X(2017)05-0127-02