固態(tài)相變課程圖解講授法的研究

劉慧敏 楠 頂 張瑞英 史志銘

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 內(nèi)蒙古呼和浩特 010051

固態(tài)相變，顧名思義就是在固態(tài)下發(fā)生的相變，而如何描述固態(tài)？對于合金而言，采用合金相圖比較直觀，即在固相線下方的相區(qū)部分為固相區(qū)，合金狀態(tài)處于固相區(qū)的即為固態(tài)。如果固相區(qū)部分的線條越多、劃分的次一級相區(qū)越多，固態(tài)相變發(fā)生的可能也越多；反之，如果固相線下方只有溶解度曲線，而且曲線的斜率變化很小(溶解度變化很小)，則發(fā)生固態(tài)相變的可能也越小[1-3]。上述內(nèi)容不加圖解、只用文字描述，顯得枯燥無味、不易被學(xué)生理解，更不利于學(xué)生自學(xué)或閱讀。利用合金相圖等研究金屬材料的重要教學(xué)工具，采用圖解講授法，解釋上述內(nèi)容有利于學(xué)生的理解和掌握。合金相圖能夠給出不同成分的合金在不同溫度條件下的平衡狀態(tài)，在不同的相區(qū)的相組成以及在加熱或冷卻時可能發(fā)生的相變等信息。

金屬材料雖然具有金屬光澤，但是不透明[4]。所以即使在金屬材料內(nèi)部發(fā)生了固態(tài)相變，材料組織結(jié)構(gòu)都發(fā)生了變化，從外部也觀察不到固態(tài)相變前后的任何變化。假設(shè)金屬材料具有透明性，其晶體結(jié)構(gòu)也是無法看清楚的，因為原子在空間的排列方式趨于緊密，很難看清原子尺度上的排列方式。固態(tài)相變這門課程，是講解材料內(nèi)部的、肉眼看不到的微觀組織與結(jié)構(gòu)的變化，所以需要用圖解和顯微鏡照片作為輔助教具，才能讓學(xué)生容易理解和掌握。合金相圖就是滿足這一需求的圖解，如前所述，在合金相圖的固相線以下有無其他線條(可以理解為固態(tài)相變線)，若有，該合金可以作為固態(tài)相變課程的選材對象，另外還可以看出相圖的兩端的縱坐標上除了金屬熔點以外，有無其他相變點，若有，該點一定能夠向相圖內(nèi)部延伸。當純金屬(可理解為一元合金)中加入一種合金元素后變成二元合金，從數(shù)學(xué)的角度理解的話，一維坐標(數(shù)軸y)變?yōu)槎S坐標(x-y坐標系)，相應(yīng)地y軸上的點(相變點)變成x-y坐標系中一條曲線(相變線)的起始點。因此可知，起始點(純金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點)越多，相圖中的線條(相變線)也越多。一維的點延伸成二維的線，二維的線條將x-y坐標系劃分為若干個封閉區(qū)域，構(gòu)成了不同的相區(qū)。相圖中的每一個點、線、區(qū)都有特定的含義。

1 純鐵同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變及磁性轉(zhuǎn)變的圖解講授法

圖1為純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化示意圖[5]。4個水平線(平臺)均表示純鐵的相變過程。由圖1可知，純金屬的相變是在恒溫下進行的，其中1 538℃是純鐵的熔點，凝固/結(jié)晶點(注意：討論冷卻曲線時，一般不涉及升溫過程)；1 394℃(A4)和912℃(A3)為純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點，分別發(fā)生的轉(zhuǎn)變，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于一級固態(tài)相變，770℃(A2)為純鐵的居里點，發(fā)生順磁性(高溫)鐵磁性(低溫)，磁性轉(zhuǎn)變屬于二級固態(tài)相變，即在磁性轉(zhuǎn)變過程中不發(fā)生體積和熵值的突變，晶體結(jié)構(gòu)類型不變。5個斜線部分均表示溫度變化(降溫)的過程，期間沒有發(fā)生相變現(xiàn)象，純鐵處于一種狀態(tài)，從高溫到低溫分別是液態(tài)，δ-Fe(bcc)，γ-Fe(fcc)，無磁性α-Fe(bcc)，有磁性α-Fe(bcc)。兩種狀態(tài)必定由一種相變分割的，相應(yīng)的兩個相區(qū)必定由一條相變線分開，在熔點以下的相變均屬于固態(tài)相變。

圖1 純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化

2 鐵碳二元合金的固態(tài)相變的圖解講授法

冷卻曲線和合金相圖有著一定的依賴關(guān)系。制作相圖之前，先繪制/測試一系列不同成分的合金的冷卻曲線，以冷卻曲線為依據(jù)，在溫度—成分坐標系中將含義相同的點連接起來構(gòu)成的合金相圖中的線條；反之如果在已知相圖的條件下，也可繪制不同成分合金的冷卻曲線[6]。圖2為鐵碳二元合金相圖的左端，縱坐標上的特征點A，N，G對應(yīng)圖1冷卻曲線的溫度點1 538℃，1 394℃，912℃，各個點的含義同圖1中的含義。Q點表示600℃時C在Fe中的溶解度為0.005 7%，由于數(shù)值非常接近原點(超過了肉眼能夠分辨的范圍)，所以產(chǎn)生Q點落在y軸上的錯覺，但事實上Q點不屬于y軸上的點，它應(yīng)該是相圖中的一個表象點，對應(yīng)600℃的離y軸很近的一個表象點。

固相線AHJEC下方有NH，NJ，GS，GP，ES，PQ，PS等7條線將整個固相區(qū)劃分為δ，γ，α3個單相區(qū)和δ+γ，γ+α，γ+Fe3C，α+Fe3C4個雙相區(qū)，外加1個PS三相區(qū)(γ+α+Fe3C)，共8個固相區(qū)。相鄰的相區(qū)之間界限就是相變線，鐵碳合金如果從一個相區(qū)轉(zhuǎn)到另一個相區(qū)，相當于成分垂線與相變線產(chǎn)生交點時，發(fā)生固態(tài)相變，之后再進入相應(yīng)的相區(qū)，所以有必要掌握哪些位置(線條)上發(fā)生哪些固態(tài)相變。

(3)ES：Fe3CⅡ的析出(降溫過程)與回溶線(升溫過程)，；

(6)PQ線：Fe3CⅢ的析出(降溫過程)與回溶線(升溫過程)，。

圖2 鐵碳二元合金相圖(左端)

3 結(jié)語

圖解講授方法，簡單理解就是看圖講解結(jié)構(gòu)相變。將圖中的每一個特征點、每一條線或每一個單元的含義及其之間的關(guān)系一一解釋清楚，即為圖解講授方法，適合用于肉眼看不見的微觀世界中發(fā)生的變化及其過程的講解。如在固態(tài)相變及材料物理等課程的講授過程中，采用圖解講授方法，不僅能夠獲得良好的教學(xué)效果，而且有利于學(xué)生理解和師生互動。希望圖解講授方法能夠被廣泛推廣于教學(xué)過程中。