鐵碳合金相圖的教學探討

文/但晉川，自貢市職業培訓學院

鐵碳合金相圖的教學探討

文/但晉川，自貢市職業培訓學院

本文摘要：由于鋼鐵材料的成分(含碳量)不同,因此組織和性能也不相同,應用場合也不一樣。在材料學中, 鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金組織、性能變化規律的基本工具；在生產實踐中, 是合理選擇鋼鐵材料，制定熱加工工藝（熱處理、鍛造、鑄造）的依據，故鐵碳合金相圖是機械工程材料課程教學的一個重點,由于其理論抽象、概念繁雜,對于中職學生而言要學好本節內容有一定的難度。本文根據筆者教學實踐，就鐵碳合金相圖的教學展開探討。

鐵碳合金相圖；教學

鐵碳合金相圖是學習鋼鐵材料的重要理論基礎，它表示在平衡（緩慢冷卻或緩慢加熱）的條件下，不同成分的鐵碳合金的組織或狀態隨溫度變化的圖形。它是反映“成分—溫度—組織”三者之間關系的圖解，圖中縱坐標表示溫度，橫坐標表示碳含量（質量分數），左端原點表示純鐵（Wc=0%），右端點為Fe3C（Wc=6.69%）。橫坐標上任意一個固定成分均代表一種鐵碳合金。鐵碳合金相圖的建立為分析合金成分和溫度對其組織的影響，繼而推斷其力學性能，確定其應用范圍和加工方法等，提供了直觀手段。由于含碳量大于6.69%的鐵碳合金脆性很大，生產中沒有實用價值，所以只研究相圖中含碳量為0%-6.69%的鐵碳合金，即Fe-Fe3C相圖。

經簡化后的Fe-Fe3C相圖

1 對相圖的結構初步認識

中職教材中通常將Fe-Fe3C相圖做了一個簡化，同時，可以概括為十一個字：“兩橫、三縱、五弧、九點、十二區”。

“兩橫”是指1148℃的共晶線ECF和727℃的共析線PSK。

“三縱”是指含碳量為0.77%的共析成分和4.3%的共晶成分，以及含碳量為2.11%的鋼與鑄鐵的分界線。

“五弧”是指液相線AC段和CD段；固相線AE段；鐵素體與奧氏體相互轉變線GS；以及碳在奧氏體中的溶解度曲線ES。

“九點”是指相圖上由字母標出的A、C、D、E、G、S、P、Q、K等臨界點。

“十二區”是由點和線把相圖分割成的12個不同的相或組織狀態的區域。

2 認識Fe-Fe3C相圖中符號、點和線的含義

對于相圖中符號和點的含義這里暫且省略，僅說明相圖中主要特性線的含義。

3 深入分析理解相圖

從不同成分的合金結晶過程入手，重點分析結晶順序、結晶過程和重結晶過程時各相中含碳量的變化與相圖中溫度的對應關系。

（1）以共晶線ECF和共析線PSK為基礎，當金屬液冷卻到ECF線時（溫度1148℃），將發生共晶轉變，所謂共晶轉變是指一定成分的液態合金，在某一恒溫下，同時結晶出兩種固相的轉變，此時，金屬液中同時結晶出奧氏體和滲碳體的混合物，即萊氏體；當奧氏體冷卻到PSK線時（溫度727℃），將發生共析轉變，所謂共析轉變是指一定成分的固溶體，在某一恒溫下，同時析出兩種晶體的轉變，此時，從奧氏體中同時析出鐵素體和滲碳體的混合物，即珠光體。

（2）分析各相區的成分隨溫度的變化與含碳量的關系。相圖的上半部由液態變為固態的一次結晶，ACD為液相線，含碳量＜4.3%的液態合金冷卻到AC線溫度時，過飽和的鐵逐漸以奧氏體的形式結晶出來,剩余液體的含碳量趨近4.3%，1148℃時發生共晶轉變而生成萊氏體Ld；含碳量＞4.3%的液態合金冷卻到CD線溫度時,過飽和的碳逐漸以一次滲碳體(Fe3CⅠ)的形式結晶出來,剩余液體的含碳量趨近4.3%,1148℃時發生共晶轉變而生成萊氏體Ld。固相線AECF以下，E點以左是奧氏體區,E—C成分之間是先析相奧氏體+萊氏體區,C—F成分之間是先析相一次滲碳體+萊氏體區。共晶線ECF以下所有液體合金均結晶為萊氏體。相圖下半部分圖形為固態下的相變，含碳量＜0.77%的鐵碳合金在GS線下,過飽和的鐵逐漸以鐵素體的形式從奧氏體中先結晶出來,使剩余奧氏體的含碳量趨近0.77%，727℃時亦發生共析轉變而生成珠光體；含碳量＞0.77%的鐵碳合金在ES線下,過飽和的碳逐漸以二次滲碳體(Fe3CⅡ)的形式從奧氏體中先結晶出來,使剩余奧氏體的含碳量趨近0.77%，727℃時亦發生共析轉變而生成珠光體。共析線PSK以下所有奧氏體均轉變為珠光體。同理,萊氏體中的奧氏體也轉變成珠光體,此時的萊氏體叫做低溫萊氏體(L’ d)。

4 強化相圖記憶效果

采用形象比喻法，可以把相圖中的共晶線ECF和共析線PSK比作兩個海平面，把液相線ACD和GSE線看作在海平面上飛翔的兩只海鷗，兩只海鷗首尾相連，這樣就基本構成了相圖的主要框架，從而使抽象而復雜的相圖形象化，強化學生的記憶效果。

5 繪制Fe-Fe3C相圖

為了使學生既快又準的掌握繪制方法，可以用“相圖口訣”的方式幫助學生分析、理解、繪制，“相圖口訣”如下：

溫度成分建坐標，鐵碳二元要記牢；

兩橫三縱標特點，九星閃耀五弧交；

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，鑄鍛工藝離不了。

在繪制相圖的過程中，與學生邊念、邊繪、邊講，實現了良好互動，課堂氣氛活躍，學生手、口、腦并用，注意力集中，激發了興趣，提高了課堂效率。

6 結束語

教學過程中，除了必要的板書和板圖外，可以使用多媒體以動畫的形式加以展現，充分調動學生的積極性，加深學生對鐵碳合金相圖的認識、理解和掌握，同時，把握教學中的重點、難點和關鍵點，將復雜、抽象的內容具體化、形象化，起到事半功倍的作用。

［1］張金鳳．機械工程材料．—北京：中國勞動社會保障出版社，2006．

［2］陳志毅．金屬材料與熱處理（第六版）．—北京：中國勞動社會保障出版社，2011．

［3］宋杰．工程材料與熱加工［M］．大連理工大學出版社，2008．

但晉川（1984—）男，四川省榮縣人，自貢市職業培訓學院機械加工教研室教師，助理講師，主要從事機械加工專業理論課教學工作。