怎樣學(xué)好“鐵碳合金狀態(tài)圖”

王延花

摘 要：《金屬工藝學(xué)》是職業(yè)中專(zhuān)機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的必修課，而“鐵碳合金狀態(tài)圖”是本課程的重點(diǎn)，其地位不言而喻。怎樣來(lái)學(xué)習(xí)這一部分，突破這一瓶頸，使多數(shù)同學(xué)都能較好的掌握呢？本文就闡述了這部分的學(xué)習(xí)方法。

關(guān)鍵詞：金屬工藝學(xué) 鐵碳合金狀態(tài)圖 必修課

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2014）03（a）-0167-02

《金屬工藝學(xué)》是職業(yè)中專(zhuān)機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的必修課，而“鐵碳合金狀態(tài)圖”是本課程的重點(diǎn)，其地位不言而喻。學(xué)好鐵碳合金狀態(tài)圖，不但為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，同時(shí)也能培養(yǎng)學(xué)生正確選擇和合理使用合金材料、熱處理加工工藝等能力。但是，學(xué)生普遍反映“鐵碳合金狀態(tài)圖”難以理解和掌握。的確，由于該部分內(nèi)容較為抽象、理論性較強(qiáng)、知識(shí)覆蓋面廣，同時(shí)又缺乏具體的實(shí)驗(yàn)或教具可以演示，而且職專(zhuān)學(xué)生對(duì)于純理論知識(shí)的接受能力普遍差等原因，致使鐵碳合金狀態(tài)圖成為了難點(diǎn)。那么，怎樣來(lái)學(xué)習(xí)這一部分，突破這一瓶頸，使多數(shù)同學(xué)都能較好的掌握呢？筆者根據(jù)幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為可以按照以下的步驟來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

1 激發(fā)興趣

俗話說(shuō)“興趣是最好的老師”。鐵碳合金狀態(tài)圖內(nèi)容枯燥而抽象，而且不能通過(guò)實(shí)踐的方法獲得，不易被學(xué)生接受，致使學(xué)生容易產(chǎn)生厭煩情緒。因此，首先要激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。可以通過(guò)這樣幾個(gè)途徑。

（1）充分利用緒論內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自豪感。

我國(guó)是世界上使用銅、鐵最早的國(guó)家，早在4000年前就開(kāi)始使用銅。河南安陽(yáng)出土的商代司母戊大鼎，是迄今世界上最古老的大型青銅器。我國(guó)春秋時(shí)期開(kāi)始用鑄鐵作農(nóng)具，比歐洲國(guó)家早1800多年。我國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期制劍技術(shù)已相當(dāng)高明。西漢時(shí)期制作的金縷衣舉世無(wú)雙。漢代的長(zhǎng)信宮燈、青銅奔馬有很高的工藝水平。北京大鐘寺明代永樂(lè)大鐘重46.5噸，鑄有佛經(jīng)銘文23萬(wàn)字，鐘聲悠揚(yáng)悅耳，是中外有名的古代佛中王。然后，可通過(guò)數(shù)據(jù)、圖片等資料介紹鋼鐵材料在機(jī)械、建筑等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)學(xué)好鐵碳合金狀態(tài)圖的重要性。

（2）教師可以把日常生活中和金屬材料相關(guān)的一些知識(shí)以圖片或視頻等的形式展示給學(xué)生，使他們對(duì)金屬材料形成初步的認(rèn)識(shí)；然后讓學(xué)生帶著問(wèn)題去學(xué)習(xí)。教師可列舉一些生活中常見(jiàn)的現(xiàn)象，并提出疑問(wèn)。比如：彈簧為什么具有彈性？什么樣的材料才具有彈性？為什么有的鐵很軟而有的卻很硬？這些問(wèn)題的提出就促使學(xué)生去學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)目的也就很明確了。

通過(guò)理論和實(shí)際的結(jié)合，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性就被充分調(diào)動(dòng)起來(lái)了。

2 打好基礎(chǔ)

在學(xué)習(xí)“鐵碳合金狀態(tài)圖”之前，首先要搞清楚這樣幾個(gè)概念。

（1）鐵素體：指碳在α-鐵中形成的固溶體，用F表示，碳的溶解度很小。（2）奧氏體：指碳在γ-鐵中形成的固溶體，用A表示，碳的溶解度較大。（3）滲碳體：指含碳量6.69%的鐵與碳的金屬化合物，化學(xué)式為Fe3C。（4）珠光體：指鐵素體與滲碳體的混合物，用P表示。（5）萊氏體：指1148 ℃時(shí)奧氏體與滲碳體的混合物，用Ld表示。奧氏體在727 ℃時(shí)轉(zhuǎn)換成珠光體，因此室溫下的組織為珠光體與滲碳體的混合物，稱(chēng)為低溫萊氏體，用Ld表示。

以上均是鐵碳合金的基本組織，它們?cè)趯W(xué)習(xí)鐵碳合金狀態(tài)圖時(shí)極其重要。

學(xué)習(xí)過(guò)程中，還有兩種反應(yīng)也需要我們了解。

（1）共晶反應(yīng)：由一定成分的液體合金中同時(shí)結(jié)晶出兩種固相物質(zhì)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。（2）共析反應(yīng)：在固態(tài)下由一種單相固溶體同時(shí)析出兩相固體物質(zhì)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。

如果我們用縱坐標(biāo)表示溫度，橫坐標(biāo)表示碳含量（碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。橫坐標(biāo)上左端原點(diǎn)碳含量為零，即為純鐵；右端點(diǎn)碳含量為6.69%，即滲碳體（碳含量大于6.69%的鐵碳合金脆性很大，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值）；橫坐標(biāo)上任何一點(diǎn)，均代表一種成分的鐵碳合金，那么現(xiàn)在我們就可以來(lái)“認(rèn)識(shí)”鐵碳合金狀態(tài)圖了（如圖1）。

面對(duì)這樣復(fù)雜的圖形，從哪里著手學(xué)習(xí)呢？所謂“打蛇打七寸”，必須先抓主干，把主要內(nèi)容先理清楚了，繼而進(jìn)行全面學(xué)習(xí)。因此，先認(rèn)識(shí)一下其中的特性點(diǎn)和特性線。

（1）特性點(diǎn)。

①A點(diǎn)：純鐵的熔點(diǎn)，溫度為1538 ℃。

②C點(diǎn)：共晶點(diǎn)，溫度為1148 ℃，發(fā)生共晶反應(yīng)L（液相）（A+Fe3C），即萊氏體。

③D點(diǎn)：滲碳體的熔點(diǎn)，溫度為1227 ℃。

④E點(diǎn)：碳在奧氏體中的最大溶解度。

⑤S點(diǎn)：共析點(diǎn)，溫度為727 ℃，發(fā)生共析反應(yīng)A（F+Fe3C），即珠光體。

（2）特性線。

①ACD線：液相線，其上均為液相，其下有固態(tài)出現(xiàn)。

②ACEF線：固相線，其上為液固共存的狀態(tài)，其下全為固態(tài)。

③ES線：碳在奧氏體中的溶解度線。

④GS線：從奧氏體中析出鐵素體的開(kāi)始線。

⑤PSK線：共析線，發(fā)生共析反應(yīng)，LL+AAP。

分清了特性點(diǎn)和特性線，對(duì)鐵碳合金狀態(tài)圖也就有了初步的認(rèn)識(shí)：液相線以上全為液態(tài)，這條線開(kāi)始結(jié)晶出固態(tài)：C點(diǎn)以左首先結(jié)晶出奧氏體，C點(diǎn)以右首先結(jié)晶出滲碳體，C點(diǎn)同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體，即珠光體。隨著溫度的下降，碳在奧氏體中的溶解度逐漸降低，逐量被析出，自然和鐵重新組合，生成金屬化合物：滲碳體。同時(shí)，溫度的下降，使得組成奧氏體的γ-Fe發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，因而組織隨之改變。此時(shí)，若自己能夠大致繪出鐵碳合金狀態(tài)圖就達(dá)到要求了。如此，接下來(lái)就應(yīng)分析具體的合金結(jié)晶過(guò)程了。

3 以?xún)煞N反應(yīng)為指導(dǎo)，分析組織

通過(guò)以上對(duì)特性點(diǎn)和特性線的分析，很自然的把合金狀態(tài)圖分為6部分（1線無(wú)意義，可忽略），如圖1所示。根據(jù)碳含量和室溫組織不同，將鐵碳合金分成三類(lèi)。

3.1 鋼：含碳量為0.0218%～2.11%的鐵碳合金

（1）共析鋼：含碳量為0.77%的鐵碳合金。（2）亞共析鋼：含碳量小于0.77%的鋼。（3）過(guò)共析鋼：含碳量為0.77%～2.11%的鋼。

3.2 白口鑄鐵：含碳量為2.11%～6.69%的鐵碳合金

（1）共晶白口鑄鐵：含碳量為4.3%的鐵碳合金。（2）亞共晶白口鑄鐵：含碳量為2.11%～4.3%的鐵碳合金。（3）過(guò)共晶白口鑄鐵：含碳量為4.3%～6.69%的鐵碳合金。

3.3 工業(yè)純鐵：碳含量小于等于0.0218%

現(xiàn)在可以對(duì)共析鋼和共晶白口鑄鐵這兩種典型的鐵碳合金（即Ⅰ線和Ⅳ線）的結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行分析。

Ⅰ線的結(jié)晶過(guò)程：ACD以上為液態(tài)，到此線開(kāi)始有固態(tài)奧氏體出現(xiàn)，AECF線為止全部轉(zhuǎn)化成固態(tài)奧氏體，GS線開(kāi)始有鐵素體析出，PSK線奧氏體全部轉(zhuǎn)化為鐵素體和珠光體。S點(diǎn)發(fā)生共析反應(yīng)，奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體，即：

LL+AAP

Ⅳ線的結(jié)晶過(guò)程：ACD以上為液態(tài)，C點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)，液態(tài)合金變成萊氏體；PSK線以下萊氏體變成低溫萊氏體，即：

LLdLd

以此類(lèi)推，可以分析出其它鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程：

亞共析鋼：LL+AAF+AF+P；過(guò)共析鋼：LL+AAA+Fe3CP+Fe3C；亞共晶白口鑄鐵：LL+AA+Fe3C+LDP+Fe3C+Ld；過(guò)共晶白口鑄鐵：LL+Fe3C Ld+Fe3CLd+Fe3C

4 總結(jié)規(guī)律

通過(guò)對(duì)典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程的分析，不難得出這樣的結(jié)論。

（1）無(wú)論哪種成分的合金，在冷卻的過(guò)程中如果遇到共晶反應(yīng)線，液體就一定會(huì)析出萊氏體。（2）無(wú)論哪種成分的合金，在冷卻的過(guò)程中如果遇到共析反應(yīng)線，奧氏體一定會(huì)變成珠光體。（3）從鐵碳合金狀態(tài)圖的室溫組織可以看出，任何成分的鐵碳合金的室溫組織一定是有鐵素體和滲碳體組成；隨著碳含量的增加，鐵素體的含量逐漸減少，滲碳體的含量逐漸增多，且滲碳體的成分和狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化。

5 學(xué)以致用

（1）選材方面的應(yīng)用：比如，建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需要塑性好、韌性好的材料，應(yīng)選用碳含量較低的鋼材。機(jī)械零件需要強(qiáng)度、塑性及韌性都較好的材料，應(yīng)選用碳含量適中的鋼材。各種工具要用硬度高和耐性好的材料，則選用碳含量高的鋼材。（2）鑄造方面的應(yīng)用：共晶成分的鑄鐵，結(jié)晶溫度最低，結(jié)晶溫度范圍最小，因而流動(dòng)性好，鑄件致密，因此生產(chǎn)上鑄鐵的成分總是接近共晶成分。（3）鍛造方面的應(yīng)用：鋼的鍛軋溫度一般選在單相奧氏體區(qū)，始鍛溫度不能過(guò)高，終鍛溫度不能過(guò)低。（4）焊接方面的應(yīng)用。（5）熱處理方面的應(yīng)用。

6 加深理解，強(qiáng)化記憶

可以采用下面的練習(xí)題來(lái)進(jìn)行訓(xùn)練。

1、Fe—Fe3C狀態(tài)圖上SE線，用代號(hào)（ ）表示。

A.A1 B.Acm

C.A3 D.ACl

2、Fe—Fe3C狀態(tài)圖中發(fā)生共析轉(zhuǎn)變時(shí)，從奧氏體中析出（ ）混合物。

A.鐵素體 B.萊氏體

C.滲碳體 D.珠光體

3.、Fe—Fe3C狀態(tài)圖上共晶線是（ ）

A.ECF線 B.ACD線

C.PSK線 D.AECF線

4、研究鐵碳合金狀態(tài)圖時(shí)，圖中最大含碳量為（ ）

A.0.77% B.2.11%

C.4.3% D.6.69%

5、發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的含碳量范圍是（ ）

A.0.77%～4.3%

B.2.11%～4.3%

C.2.11%～6.69%

D.4.3%～6.69%

6、液態(tài)合金在平衡狀態(tài)下冷卻時(shí)結(jié)晶終止的溫度線叫（ ）

A.液相線 B.固相線

C.共晶線 D.共析線

7、共析鋼的含碳量為（ ）

A.Wc=0.77% B.Wc>0.77%

C.Wc<0.77% D.Wc=2.11%

8、Wc<0.77%的鐵碳合金冷卻至A3線時(shí)，將從奧氏體中析出 （ ）

A.鐵素體 B.滲碳體

C.珠光體 D.萊氏體

9、Wc>4.3%鑄鐵稱(chēng)為 （ ）

A.共晶白口鑄鐵

B.亞共晶白口鑄鐵

C.過(guò)共晶白口鑄鐵

D.共析白口鑄鐵

10、鐵碳合金相圖中，S點(diǎn)是（ ）

A.純鐵熔點(diǎn) B.共晶點(diǎn)

C.共析點(diǎn) D.純鐵同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)

11、鋼的含碳量一般在 （ ）

A.0.77%以下 B.2.11%以下

C.4.3%122T D.6.69%以下

12、關(guān)于共析轉(zhuǎn)變和共晶轉(zhuǎn)變含義的說(shuō)明，正確的說(shuō)法是（ ）

A.共析轉(zhuǎn)變是指一定成分的合金液體溶液冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞N或更多緊密混合的固體的恒溫可逆轉(zhuǎn)變，其形成的組織為共析組織。

B.共晶轉(zhuǎn)變是一定成分的固溶體冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞N或更多緊密混合的固體的恒溫可逆轉(zhuǎn)變，其形成的組織為共晶組織。

C.共析轉(zhuǎn)變是一定成分的固溶體冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞N或更多緊密混合的固體的恒溫可逆轉(zhuǎn)變，其形成的組織為共析組織。

D.以上說(shuō)法都不對(duì)。

13、Fe—Fe3C相圖中的GS線是冷卻時(shí)奧氏體析出鐵素體的開(kāi)始線，奧氏體向鐵索體的轉(zhuǎn)變是（ ）

A.碳在奧氏體的溶解度達(dá)到飽和的結(jié)果。

B.溶劑金屬（鐵）發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的結(jié)果。

C.奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的結(jié)果。

D.以上都是。

14、碳在鐵素體中溶解度很小，727 ℃時(shí)為（ ）

A.0.0218% B.0.77%.

C.2.11% D.4.3%

15、鐵碳合金的室溫組織相包括鐵素體和（ ）

A.奧氏體 B.萊氏體

C.滲碳體 D.珠光體

這樣一步步下來(lái)，相信學(xué)生都能把鐵碳合金狀態(tài)圖真正的理解并且掌握了。

參考文獻(xiàn)

[1] 郁兆昌.金屬工藝學(xué)[M].2版.高等教育出版社，2007.