“鐵碳合金相圖”的教學思路淺析

王　樂　徐　健　王　蘊/白城師范學院機械工程學院

“鐵碳合金相圖”的教學思路淺析

王樂徐健王蘊/白城師范學院機械工程學院

鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工具，是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織和性能之間關系的理論基礎，是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝的依據，在工業上具有重要的意義。鐵碳合金相圖是《機械制造基礎》這門課程的難點也是重點。它的內容抽象、概念繁雜，學生理解起來非常困難，新接觸這門課程的教師在備課過程中也存在一定的困難。本文從鐵碳合金相圖的記憶口訣出發，深入淺出，最后到相圖的應用，清晰呈現了該知識點的脈絡。

鐵碳合金相圖；分析；應用

鐵碳合金相圖是《機械制造基礎》這門課程的難點也是重點。這部分內容抽象、概念繁雜，學生理解起來非常困難，本文從導入新課開始，引起學生思考興趣，從強調鐵碳合金相圖的重要性開始，講授新課，最后應用舉例，以達到學生的理解。

一、導入新課

采用回顧舊知識自然引入新課的學習的導入方法。可以這樣導入新課“在上一節介紹了鐵碳合金的基本知識，知道了碳的質量分數范圍和溫度及力學性能，那他們之間到底存在什么樣的關系呢？”還有，“我們在大一的時候學習過《工程圖學》這門課程，在制圖的時候，我們總會在標題欄里寫下45、HT200的字樣，那么這些材料和我們今天要學習的內容有什么聯系呢？”通過這樣提出問題，引起學生思考興趣，于是進入了“鐵碳合金相圖”的教學任務。

二、新課講授

先強調相圖的重要性，然后對其進行分析，最后指出其應用。

（一）通過圖1來強調鐵碳合金相圖的重要性——鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工具，是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關系的理論基礎。是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等的工藝依據。

圖1　鐵碳合金相圖的重要性

（二）對鐵碳合金相圖進行分析。圖2即為鐵碳合金相圖。分析之前明確鐵碳合金相圖的概念，重點是熟練掌握鐵碳合金相圖中的特性點、特性線的含義及鐵碳合金的分類。

圖2　鐵碳合金相圖

圖3　簡化的三種相圖

在復雜的鐵碳合金相圖組成面前，學生需要記住關于相圖的口訣“溫度成分建坐標，鐵碳二元要記牢；兩平三垂標特點，九星閃爍五弧交；共晶共析液固線，十二里面組織標，基本組織先標好，相間組織共逍遙，分析成分斷組織，鑄鍛處理離不了[1]。”根據容易記憶的口訣來對照相圖的各個點、線和區域，才能使學生真正的理解鐵碳合金相圖的意義。把相圖用三個轉變、九個特性點、九條相變線和十五個相區來總結，然后對相圖進行分析。

1、三個轉變

圖2非常復雜，學生看這個圖容易厭倦，所以可以把相圖簡化為圖3，清晰明了，即是三個相的轉變。第一個轉變是包晶轉變。在B點（C％=0.53％，液態，t=1495℃），液相與高溫鐵素體相互作用生成奧氏體。第二個轉變是共晶轉變。在圖中的C點（C％=4.3％，液態，t=1148℃），同時轉變為奧氏體A和滲碳體（Fe，C）的混合物，即萊氏體。第三個是共析轉變。鐵碳合金相圖中，奧氏體A點在727℃時，即S點，同時轉變為鐵素體(F)和滲碳體(Fe，C)的混合物，即珠光體P。

2、九個特性點

相圖中有純鐵熔點、同素異構轉變點、共晶點、共析點、包晶點等9個主要的特性點，特性點的代號、溫度及碳含量和含義如表1（僅列其中三個）。

表1　鐵碳相圖中的主要點的含義

3、九條相變線

相圖中有液相線、固相線、共晶線、共析線等九條相變線。其代號及含義如表2（僅列其中三個）。

表2　主要相變線的含義

4、十五個相區

單相區有5個，雙相區有7個，三相區有3個。圖略

（三）Fe-Fe3C相圖的應用

1、在鋼鐵材料選材方面的應用

Fe-Fe3C相圖揭示了鐵碳合金的組織隨成分變化的規律，由此可以判斷出鋼鐵材料的力學性能，以便合理地選擇鋼鐵材料。例如：機械工程中的各種零部件需要兼有較好強度、塑性和韌性的材料，應選用Wc=0.30％～0.55％范圍內的鋼材。而各種工具卻需要硬度高，耐磨性好的材料，則多選用Wc=0.70％～1.2％范圍內的高碳鋼。

2、在制訂熱加工工藝方面的應用

（1）在鑄造方面的應用。從Fe-Fe3C相圖可以看出，共晶成分的鐵碳合金熔點最低，結晶溫度范圍最小，具有良好的鑄造性能。因此，鑄造生產中多選用接近共晶成分的鑄鐵。根據Fe-Fe3C相圖可以確定鑄造的澆注溫度，一般在液相線以上50～100℃，鑄鋼（Wc=0.15％～0.6％）的熔化溫度和澆注溫度要高得多，其鑄造性能較差，鑄造工藝比鑄鐵的鑄造工藝復雜。

（2）在鍛壓加工方面的應用。由Fe-Fe3C相圖可知鋼在高溫時處于奧氏體狀態，而奧氏體的強度較低，塑性好，有利于進行塑性變形。因此，鋼材的鍛造、軋制（熱軋）等均選擇在單相奧氏體的適當溫度范圍內進行。

（3）在熱處理方面的應用。Fe-Fe3C相圖中的三條相變線是確定常用工藝，如退火、正火、淬火的加熱溫度的。

最后，應強調在應用相圖進行分析時，要注意該相圖反應鐵碳二元合金中相的平衡狀態，如果含有其他元素，相圖會發生變化；當加熱或冷卻速度較快時，組織轉變不能只用相圖來分析。

三、結束語

通過這種講授方式，學生能夠掌握鐵碳合金相圖的基本框架，加深了對相圖的認識，能夠對相圖應用自如，分析不同溫度、不同碳含量之下的合金狀態等等，為后續課程的學習打下了基礎。

[1] 葉紅.“鐵碳合金相圖”教學主線分析[J].機電技術,2012年8月.

王樂（1987-），吉林松原人，研究生，白城師范學院講師，研究方向：機械制造自動化 。

徐健（1993-），吉林敦化人，白城師范學院機械工程學院學生，學習機械設計制造及其自動化專業。

王蘊（1974-），遼寧丹東人，白城師范學院副教授，研究方向為：汽車運用。