各個(gè)擊破“鐵碳合金相圖”教學(xué)難點(diǎn)

摘 要：鐵碳合金相圖的繪制、分析和應(yīng)用是金屬材料與熱處理教學(xué)中的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。本文提供了破解“鐵碳合金相圖”教學(xué)難點(diǎn)的方法，只有化解該難點(diǎn)，掌握并靈活運(yùn)用鐵碳合金相圖，才能充分理解這門課及其他各章節(jié)的知識(shí)。

關(guān)鍵詞：鐵碳合金相圖 成分 內(nèi)部組織 性能 分析

金屬材料與熱處理是技工院校機(jī)械類專業(yè)中的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，通過對這門課的學(xué)習(xí)，可以幫助學(xué)生理解材料的成分、內(nèi)部組織、熱處理工藝與性能之間的關(guān)系；掌握它們的內(nèi)在規(guī)律；了解通過控制金屬材料的成分和冷、熱加工工藝過程來控制其組織，提高材料性能，或獲得具有某種特殊性能的新材料知識(shí)。最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生正確選擇和合理使用材料，掌握熱處理工藝規(guī)范等多方面的能力。

學(xué)校五年制數(shù)控、模具、焊接等機(jī)械專業(yè)高技班選用的是中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社的全國高等職業(yè)技術(shù)院校機(jī)械類專業(yè)通用教材《金屬材料與熱處理》第五版，其中第三章第三節(jié)是鐵碳合金相圖。鐵碳合金相圖建立、識(shí)讀和應(yīng)用是第三章的難點(diǎn)，也是重點(diǎn)，如果沒有掌握好，那么學(xué)生對本章節(jié)及其他章節(jié)某些知識(shí)只會(huì)一知半解。金屬材料中鋼和鑄鐵是工業(yè)中應(yīng)用最廣的鐵碳合金，要掌握各種鋼和鑄鐵的組織性能特點(diǎn)及熱處理原理，首先必須了解鐵碳合金的成分、組織與性能之間的相互關(guān)系，鐵碳合金相圖就是研究鐵碳合金的組織與性能關(guān)系的重要工具。它為鐵碳合金的選材提供理論依據(jù)，同時(shí)又是制定鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工工藝的重要依據(jù)之一。所以這部分知識(shí)是這門課程整個(gè)教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)，它起到一個(gè)承前啟后、提綱挈領(lǐng)的作用，在整個(gè)知識(shí)體系中占有重要的地位。

鐵碳合金相圖是難點(diǎn)，筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，由于這部分知識(shí)的內(nèi)容較為抽象，又沒有具體實(shí)驗(yàn)和教具可以演示，加上技校的學(xué)生缺少實(shí)踐方面的認(rèn)識(shí)，教和學(xué)都存在一定的難度。筆者嘗試將其進(jìn)行分解，然后采用各個(gè)擊破、集體記憶等方法，效果不錯(cuò)，也希望以此能與各位同行共同切磋。

一、三步設(shè)疑導(dǎo)入

對于非金屬材料與熱處理專業(yè)的學(xué)生只需要掌握簡化后的Fe-Fe3C相圖，即教材39頁圖3-19。它看起來真像一張縱橫交錯(cuò)的漁網(wǎng)。如果我們在進(jìn)入該內(nèi)容之前沒有很好地引導(dǎo)而直接進(jìn)入的話，學(xué)生多半會(huì)被表面的“復(fù)雜假象”所“網(wǎng)”住，求知的步履就會(huì)受到阻絆。

通過三步設(shè)疑引導(dǎo)：

第一，金屬材料應(yīng)用廣泛，而碳鋼和鑄鐵更是工業(yè)上最廣泛、最重要的金屬材料。不同成分的鐵碳合金性能不一樣，如車間里接觸到的45鋼和灰鑄鐵。相同成分的鐵碳合金經(jīng)過不同的熱處理性能也不一樣，想知道為什么嗎？學(xué)完鐵碳相圖就能知分曉。

第二，向?qū)W生強(qiáng)調(diào)Fe-Fe3C相圖的重要——Fe-Fe3C相圖是理解和應(yīng)用金屬材料的重點(diǎn)知識(shí)的必備工具，是這門課的重點(diǎn)。每位同學(xué)均須“不擇手段”牢記它。

第三，不要被它的復(fù)雜假象所嚇倒，我們有對付它的方法——分而擊之。

二、鐵碳相圖組成簡介——合金相圖的三要素

制造刀具的刃具鋼、制造模具的模具鋼、制造量具的量具鋼、制造機(jī)床的鑄鐵……包括蘇通大橋的斜拉繩鋼材等等種類繁多。許許多多鐵碳合金各自在自己的“崗位”上體現(xiàn)出不同的性能，發(fā)揮著不同的作用。那么煉鋼廠的師傅們是如何“變化”出這些種類不同的“神奇鋼鐵俠”呢？各種各樣鋼鐵材料為什么性能不同呢？它們的性能可以控制嗎？可以改變嗎？

其實(shí)只要（主要）控制好兩個(gè)因素：碳的含量及溫度，就可以完成上面的任務(wù)。通過碳的含量變化就可以得到不同種類的鋼鐵；相同種類的鋼材改變溫度就能改變鋼材性能。這樣鐵碳合金相圖的三要素——鐵碳合金成分、性能（組織）和溫度三者出來了。體現(xiàn)在圖中就是以橫坐標(biāo)表示碳含量的變化，以縱坐標(biāo)表示溫度的變化，相關(guān)曲線圍成的區(qū)域以符號表示組織的變化（圖1）?；疽蛩厥遣牧铣煞旨皽囟葪l件的變化，即使是同一種鋼材，經(jīng)不同溫度的處理方法（熱處理），也會(huì)產(chǎn)生不同的材料特性。

三、感性記憶，直觀繪制相圖框架

在展開講解前我們需要直觀地動(dòng)畫繪制框架圖（圖2）。

一是畫矩形標(biāo)兩個(gè)決定性要素（包括名稱、單位、范圍）即橫坐標(biāo)（表示碳含量的變化）：Fe、Fe3C、C/%、0、6.69；縱坐標(biāo)（表示溫度的變化）T/℃

二是畫主要線，“兩條水平直線（PSK，ECF），兩對翅膀（AE、AC對 CD， GS對SE ）”?？身槺闾嵋幌聻槭裁碈D是點(diǎn)畫線。

三是標(biāo)注S、E、C三點(diǎn)的含碳量，標(biāo)注A、G、D三點(diǎn)的溫度。有選擇地介紹特性點(diǎn)的含義：①兩熔點(diǎn)A、D，②共晶點(diǎn)C、共析點(diǎn)S，③同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)G，④碳在γ-Fe中最大溶解度點(diǎn)E。

四、填寫組織，輸入鐵碳相圖的“血肉”

方法：首先通過講解兩大轉(zhuǎn)變理解地填寫各區(qū)域組織。

上半部分——共晶轉(zhuǎn)變（包括亞共晶轉(zhuǎn)變和過共晶轉(zhuǎn)變）。

下半部分——共析轉(zhuǎn)變（包括亞共析轉(zhuǎn)變和過共析轉(zhuǎn)變）。

然后通過介紹鐵碳相圖中的特性線：ACD線、AECF線、ECF線，PSK線（A1線），GS線（A3線），ES線（ACM線）等的含義鞏固記憶各區(qū)域組織（圖3）。

五、雙向看圖，學(xué)會(huì)識(shí)圖

對不同種類的鐵碳合金在圖上的分布區(qū)域，可記“左鐵中鋼右鑄鐵”等。識(shí)讀分析鐵碳合金相圖抓住兩個(gè)方向：縱向——鐵碳合金組織隨溫度變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變；橫向——鐵碳合金組織隨成分變化而變化（重點(diǎn)掌握室溫）。這是識(shí)讀鐵碳合金相圖的方法，也是不同成分的鐵碳合金性能不一樣，相同成分的鐵碳合金經(jīng)過不同的熱處理性能也不一樣的本質(zhì)原因所在。

六、集體記憶：自主學(xué)習(xí)中收獲全部所學(xué)

最后為了檢驗(yàn)學(xué)生理解記憶相圖情況，還可以借鑒考慮用一種集體記憶的方法。全班按照自然組分四組參與，分別選派二位選手，分二批上黑板默寫相圖。要求：第一位畫出圖形框架，第二位完成各區(qū)域組織的填寫。選手不能重復(fù)上臺(tái)，完成任務(wù)后全班共同評議。最好最快的學(xué)生得10分，其他依次為8分、6分、4分，前一步驟未完成的學(xué)生可以請本組其他同學(xué)幫忙，但是不得分，最后總結(jié)評比。

這是一種寓教于樂的教學(xué)方法，學(xué)生對這樣的方式會(huì)保持較高的熱情，他們會(huì)在游戲中保持高度的注意力，每個(gè)人都會(huì)為自己、為全組同學(xué)努力，從而掌握并牢記住相圖。

（作者單位：南通工貿(mào)技師學(xué)院）