鐵碳合金相圖的難點突破與應用

摘要：鐵碳合金相圖中涉及的理論知識抽象，新概念較多，圖形上的點、線、區都有著不同的含義，難以理解[1]。該知識是《金屬材料與熱處理》課程的重點和難點，如何突破難點讓學生掌握這個重點是教學過程中必須要面對的問題。筆者在教學實踐中經過研究發現了掌握鐵碳合金相圖及其應用之間的一些聯系和規律，在實際教學中取得了很好的效果。

關鍵詞：鐵碳合金相圖；熱處理工藝；滲透作用

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）16-0172-02

一、引言

鐵碳合金相圖是《金屬材料與熱處理》課程最重要的教學內容之一。它表示了平衡條件下合金成分、狀態和溫度之間的變化規律，是分析鐵碳合金成分和組織變化規律的有效工具。

鐵碳合金相圖是該課程前述和后續知識之間的聯系紐帶，是學習后續章節的理論基礎，是分析組織、判斷性能、選擇材料、確定熱處理及鑄鍛焊工藝的重要依據，尤其是在熱處理內容的教學中，熱處理工藝的加熱溫度都是依據鐵碳合金相圖來確定。如果學生能把相圖全面理解掌握，熱處理章節的內容就會變得輕松自如[1]。

由于鐵碳合金相圖的內容比較抽象，相圖中點、線、相區、組織、溫度較多[2]，學生很難完全理解，只是機械地將鐵碳合金相圖中各區域的組織記下來，無法掌握各組織的轉變規律，所以在教學過程中，往往老師覺得已經講得透徹明白而學生卻不知所云。如何使學生快速、徹底地理解和記憶鐵碳合金相圖，并能正確運用相圖解決實際問題一直是我們在教學中思考和探討的問題。

在教學實踐的過程中，筆者以理論教學為主線，輔以相圖為綜合滲透，融會貫通，使學生既做到對理論的掌握，又得到能力上的鍛煉。

在教學中筆者做了以下嘗試。

二、前期鋪墊

鐵碳合金相圖是研究鋼鐵的重要理論基礎，實際生產中使用的鐵碳合金的含碳量不超過5%，因而常用的鐵碳相圖只是Fe-C合金相圖的一部分，即Fe-Fe3C相圖。研究鐵碳合金只需深入研究Fe與Fe3C相圖部分就可滿足生產上的要求。在此基礎上，重點應掌握的是簡化了的Fe-Fe3C相圖，即略去了相圖左上角的包晶相圖部分，如圖1所示。

在中職和高職的有關教材中出現的大多數是簡化后的鐵碳合金相圖（如圖1所示）。盡管經過簡化，要讓現在的中職甚至高職學生掌握這個相圖有一定的難度。在以往的相圖教學中，往往是按教材編寫的順序進行，首先講解相圖的組成，在講解完相圖的組成后便直接介紹相圖上的點、線、區的含義。相圖上的點、線、區眾多，大多數學生往往不知老師所云，教學效果可想而知。既然學生不可能一下接受，那么可以對這個難點進行分解，讓學生逐步接受。

在“鐵碳合金相圖”之前有一個內容，即“鐵碳合金的基本組織與性能”。主要介紹了鐵碳合金的五種基本組織，即鐵素體F、奧氏體A、滲碳體Fe3C、珠光體P和萊氏體Ld的組成以及性能特點。在介紹其特點時都以文字說明，例如描述奧氏體：在1148℃時，溶碳能力達到2.11%，隨著溫度的下降，溶解度逐漸減小，在727℃時溶碳能力為0.77%[3]；描述萊氏體：萊氏體是奧氏體和滲碳體的混合物，用符號Ld表示，它是含碳量為4.3%的液態鐵碳合金在1148℃時的共晶產物。當溫度降到727℃時由于萊氏體中的奧氏體將轉變為珠光體，所以室溫下的萊氏體由珠光體和滲碳體組成，這種混合物稱為低溫萊氏體，用符號Ld'表示[3]。

讓學生記住這些枯燥的文字很困難，而這些知識點又比較重要，如果掌握不好，鐵碳合金相圖的教學將更難進行。從表現手法上看，圖形展示比文字描述形象得多。如果將這些語言轉化為圖形并且與后續的鐵碳合金相圖聯系起來效果會更好。

筆者進行了如下處理：將奧氏體、珠光體和萊氏體的文字描述轉化為圖2所示，其他組織類似。通過將文字轉化為圖形，學生能更好地接受。將一段很長的文字轉變成一個簡單的圖形看似容易，其實要求教師在教學過程中要善于發現知識之間的聯系，找到有機結合點，巧妙轉變，使教學達到事半功倍的效果。

三、理解相圖

在講授鐵碳合金相圖時，有的教師事先備好圖，有的事先備好課件，上課時對著圖形講，認為這樣可以提高上課的效率，事實證明，這樣做的效率提高了效果卻下降了。在教學過程中由于相圖的繪制相對比較簡單，可以將圖形分成若干階段去完成，這樣便于學生的理解和記憶。通過對相圖深入的研究發現，掌握相圖的難點在于如何記憶各區域的組織。

筆者在教學過程中對這個內容作了如下處理。

1.基本組織先標好。根據前面所學的知識將已知的組織填入所劃分的區域，先填入簡單的與前面所學知識有關的組織，如鐵素體、奧氏體、珠光體、萊氏體等。這些組織前面都已經學過，在圖上相應的位置標注出來應該比較容易。而最上面一個液體L是因為那個區域溫度最高，當溫度最高時所有的組織都會變成液體（如圖3所示）。這些區域組織的標注要與學生共同分析，與知識準備聯系起來，找到知識間的連接點，形成知識鏈，便于學生形成記憶。

2.相間組織共逍遙。在圖3的基礎上標出圖4畫圈部分的三個區域的組織，引導學生注意觀察這三個區域組織的特點，讓學生找出規律。

總結歸納如下：先標基本組織，其他區域的組織等于相鄰區域的組織的混合，例如奧氏體A和液體L之間的區域組織就是A+L，其他區域類似。讓學生根據以上的標注及總結的規律完成圖5的填空，分析圖5中右邊的三個區域有一個共同的組織Fe3CI，中間的四個區域有共同的組織Fe3CII，指導和引導學生發現共性。提醒學生注意含碳量為2.11%時沒有組織，含碳量為0.77%和含碳量為4.3%時的組織。通過便講授邊繪制讓學生共同參與完成相圖，可以留給學生更多思考的時間，讓學生在這個過程中感受到學習的樂趣。

3.實踐效果。為了讓學生更加牢固的掌握相圖，學會運用相圖，教會學生繪制簡化后的鐵碳合金相圖是最為有效的教學方法。讓學生根據繪制的步驟自己進行繪制，在繪制的過程中，學生必須手腦并用，從而進一步加深他們對相圖的理解。在教學過程中和學生一起邊繪制、邊講解，教師和學生之間實現了良好的互動，課堂氣氛活躍，學生注意力集中，學生從手腦并用變成了手、口、腦并用。通過這樣的講練結合，學生對相圖的理解得到了有效的加強。

四、相圖應用

1.在鑄造生產中的應用。鑄造性能主要取決于金屬的流動性、收縮性和偏析傾向等。流動性好的金屬，充型能力強，能獲得輪廓清晰、尺寸精確、外形完整的鑄件。而金屬只有在溫度最高呈液態時流動性才最好。結合鐵碳合金相圖，指出ACD區是液相區，確定澆注溫度一般在液相線以上150C°左右，并且可選擇流動性好的合金，即接近共晶成分的合，應用最為廣泛。

2.在鍛造工藝上的應用。塑性越小，變形抗力越小，則金屬的鍛壓性能越好。鐵碳合金中，含碳量越低，鍛壓性能越好。而通過鐵碳合金相圖可知，鋼經加熱后獲得單相的奧氏體組織，其強度低，塑性好，易于塑性變形加工。因此，鋼材軋制或鍛造的溫度范圍多選在單一奧氏體區。確定始煅溫度1150～1250C°，終煅溫度是750～800C°左右。重要零件生產都要采用鍛鋼，鍛造生產可以使粗大晶粒變成細小晶粒。晶粒愈細小，金屬性能愈好。

3.在熱處理工藝上的應用。常規熱處理即退火、正火、淬火和回火加熱溫度的選擇都要依據鐵碳合金相圖。退火的加熱溫度與GS線和PSK線有關，加熱之后隨爐冷卻；正火的加熱溫度與GS線和SE線有關，加熱之后放在空氣中冷卻；淬火的加熱溫度與GS線和PSK線有關，加熱之后放在冷卻介質中冷卻；而回火是對淬火后的鋼重新加熱后保溫一定的時間再冷卻到室溫的熱處理工藝。退火、正火、淬火、回火是熱處理中的“四把火”，“四把火”隨著加熱溫度和冷卻方式的不同，又演變出不同的熱處理工藝。

通過在鐵碳合金相圖中將退火、正火、淬火、回火溫度加以比較，可以讓學生對熱處理概念有一個清晰的認識。

五、總結

鐵碳合金相圖內容抽象，概念繁多，成分、組織和相圖之間的關系又很復雜。本文對鐵碳合金相圖的區域組織如何識記進行了全面的分析，通過前期鋪墊，“順藤摸瓜”，抓共性找差異等方法使學生快速、徹底的掌握鐵碳合金相圖的組成。在熱處理工藝的教學中，通過有效利用相圖辨清四種常規熱處理的加熱溫度和冷卻方式，使學生更加明白鐵碳合金相圖的重要性，教學效果良好。

參考文獻：

[1]丁艷輝，朱文英.鐵碳合金相圖教學方法淺議[J].商丘職業技術學院學報，2010，2（9）：66-68.

[2]王麗.鐵碳合金相圖教學方法探討[J].正德學院學報，2010，8（2）：22-25.

[3]陳志毅.金屬材料與熱處理[M].（第五版）.北京：中國勞動和社會保障出版社，2007.

作者簡介：吳建麗（1980-），女，江蘇南通人，徐州技師學院機電工程系，講師，工程碩士在讀，主要從事機械設計理論研究；仇文寧（1970-），男，江蘇徐州人，江蘇省徐州技師學院科研處，教授，教授級高級講師，高級工程師，主要從事機械設計理論研究和計算機輔助設計工作。