铁碳合金相图教学单元的设计与实施
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摘要:铁碳合金相图的识读和应用是《热加工工艺》教学中的一个难点,如何突破难点,达到好的教学效果,是我们经常面对的问题,本文对解决这一难点进行探讨并提出一些见解和解决方法。
关键词:热加工 铁碳合金相图 多媒体 实验 项目教学
“热加工工艺”是我院机械类专业的基础课程。在学习过程中,我们发现,铁碳合金相图贯穿各个热加工工艺,并对生产实践有着重要的指导意义,它不但可以作为选材的重要依据,而且还可以作为制定各种热加工工艺的依据,因此学好并用好铁碳相图在整个课程教学中起到特别重要的作用。但由于这部分内容涉及的新概念多,理论较抽象,而高职学生又大多学习能力较差,在以往的教学过程中,同学老师都感到有相当的难度。通过多次的教学反思,我们在教学过程中进行了如下步骤的尝试:
1、提高学生学习的兴趣和动力
通常人们在讲授这部分内容的时候习惯按照相图的建立---识读---应用顺序来讲授,先简单介绍相图建立的过程,然后详细介绍如何识读相图,由于内容枯燥,又不清楚实际的意义,所以真正讲到其相图应用的时候,大多数学生是只知其然而不知其所以然,学习效果很差。为了突出教学效果,我们在讲授过程把铁碳合金相图单独作为一个教学单元设计突破,依据学生特点,先入为主,把相图的应用通过多媒体课件介绍给大家,让学生初步了解相图在制定热加工工艺和选材方面的作用,然后再举“趁热打铁”和“炉火纯青”两个成语的例子,让学生通过讨论和查询相关资料,了解“火候”即“温度”在铸造和锻造中的重要作用,而温度选择的核心依据即是铁碳合金相图,让学生真正感受到学习铁碳相图的重要性,提高学生的学习热情,为学好铁碳相图打下良好的基础。
2、追本溯源,认清本质
铁碳相图是由德国的洛兹本在前人工作基础上建立起来的,铁碳相图清楚地表明了铁碳合金成分、温度、组织三者之的关系,即同一成分不同温度,同一种温度不同成分,它们组织不同,室温组织随含碳量有变化,最终导致钢铁力学性能的变化,因此我们既可以依据相图按使用要求创新材料,又可把相图作为制造机械的重要工具。为了使学生能更好的理解,在教学过程中,我们结合日常生活中遇到的问题提问,比如,“为什么都是铁碳合金,铁丝很软,生铁很容易被敲裂”,学生会给出各种各样的答案,“组织的不同才使它们具有不同的性能”,借此引出我们下面要讲授的内容,让学生在学习过程中领悟其本质。
3、清楚铁碳合金的基本组织
为了让学生了解铁碳合金的基本组织,我们把空的铁碳相图画在黑板上,然后从铁碳合金基本相的定义出发,结合同学已经学过的工业纯铁的同素异晶转变知识,对照相图讲解铁碳合金基本相和各自的特点,同时填写相图。讲解过程中首先让学生清楚,纯铁在结晶过程中经过两次同素异晶转变,在不同温度区间具有不同的晶格结构,我们把它分别叫做δ-Fe、γ-Fe、α-Fe,当与碳组成合金时,碳作为溶质溶入不同晶格结构的铁中,则分别形成了不同的固溶体,即高温铁素体、奥氏体和铁素体;当碳含量超过各自的溶解度时,就会出现金属化合物Fe3C,我们称之为渗碳体。由于高温铁素体在1400℃以上的高温出现,对工程上应用的铁碳合金的组织和性能没什么影响,故不作为铁碳合金的基本相。固态铁碳合金的基本组成相是固溶体铁素体（F）、奥氏体(A)和化合物渗碳体(Fe3C)。
奥氏体存在的温度区间随γ-Fe自1148℃到727℃,其溶碳量也随之从2.11%下降到0.77%,同时有渗碳体析出,此渗碳体称二次渗碳体,从而得到A+Fe3CII组织,相图中的ES线为奥氏体的溶解度曲线。同理,铁素体是碳在α-Fe中形成的间隙固溶体,α-Fe的存在区间是相图中G-Q段,铁素体的溶碳量很小,最大溶解度为727℃时0.0218%,随着温度下降,铁素体溶碳能力逐渐降低,室温几乎不能溶碳,期间会有三次渗碳体化合物析出,从而得到F+Fe3CIII,相图中的PQ线则为铁素体的溶解度曲线。前面已经讲过固溶体的晶体结构取决于溶剂,而铁素体和奥氏体均为固溶体,铁是溶剂,碳为溶质,所以奥氏体的晶体结构取决于γ-Fe,铁素体的晶体结构取决于α-Fe,两者都具有铁塑性好硬度低的特性。奥氏体存在于高温区域,铁素体存在于室温,而且由于铁素体的溶碳能力远小于奥氏体,所以它的力学性能更接近纯铁,其强度、硬度更低,塑性更好。铁碳合金的第三个基本相为渗碳体（用Fe3C表示）,它是稳定的金属化合物,碳含量为6.69%且不随温度变化,其硬度高、塑性差,是合金中的强化相。
讲授铁碳合金基本相后,学生清楚了所有铁碳合金的室温组织都是由铁素体和渗碳体两个基本相组成,同时对于相图中三个基本相,两个二相区、七个特性点、ES线PQ线的意义也很容易理解了。
4、认识并识读相图
职业教育主要培养生产一线的高技能人才,所以对铁碳相图的学习,我们重点是教会学生如何认识和应用相图,为此,我们从分析不同成分的铁碳合金的结晶过程入手,详细介绍相图中各点、线和面的意义。
在铁碳合金中,含碳量高于6.69%的合金性能极脆,没有使用价值,因此我们只研究含碳量小于6.69%的铁碳合金。铁碳相图由三部分组成,本着职业教育“够用为度”的原则,我们只重点介绍有共晶和共析反应的简化的铁碳合金相图。当合金开始结晶时,刚开始析出固相时的温度即为该合金的结晶温度,即为相图中液相线ACD上的对应点,当合金全部转变成固相时温度则为AECF线上对应的一点,那么ACD和AECF两条线的意义学生也就很容易理解了,它们分别是合金的液相线和固相线。
为了介绍另外几条线的意义,我们在介绍合金结晶的过程中必须让学生明白一个前提,那就是所有成分的铁碳合金在结晶过程中,要分别同时经历共晶反应、共析反应和重结晶三个过程:碳含量在2.11～6.69％之间的液态铁碳合金,在平衡结晶到1148℃均发生共晶反应:含碳4.3%的液体同时生成含碳2.11%的奥氏体和含碳6.69%的渗碳体,此奥氏体和渗碳体的机械混合物称之为莱氏体,它是共晶反应的产物,水平线ECF为共晶反应线;碳含量0.0218～6.69％之间的铁碳合金,在平衡结晶到727℃均发生共析反应:含碳0.77%的奥氏体同时生成含碳0.0218%的铁素体和渗碳体,此铁素体和渗碳体的机械混合物称之为珠光体,它是共析反应的产物,水平线PSK为共析反应线;由于铁在不同温度区间具有不同的晶格结构,当不同成分的铁碳合金冷却（加热）到相应温度区间的时候,对应于不同晶格结构的固溶体奥氏体和铁素体必然发生相互的转变,我们把这种转变称为重结晶,它是在一段温度区间完成的。GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线,GP是奥氏体全部转变成铁素体的温度线。讲授过程中注意强调共晶反应、共析反应和重结晶之间在反应物,反应产物和反应温度之间的不同,加深学生对概念的理解,从而更深刻的理解相图。至此相图中ECF、PSK线和GS、GP线的意义及莱氏体和珠光体的概念学生很容易分辨清楚了。
如何认识和理解相图中各区域的组织的构成是铁碳相图学习的重点,为此我们使用具有典型合金结晶过程的多媒体动画,详细讲解共析钢、亚共析钢、过共析钢、共晶白口铸铁、等合金的结晶过程,经过对一系列典型合金结晶过程的分析描述,再结合进行必要的练习提问,学生对各区域组织的形成机理也就一目了然了。
5、归纳总结,解决重点
为了巩固学生所学知识点,最后我们将之前所讲教学内容以图表的形式进行归纳总结,让同学们讨论并说明“为什么都是铁碳合金,铁丝很软,生铁很容易被敲裂？”;“随含碳量升高,合金强度、硬度、塑性、韧性怎样变化,为什么？”,通过分析和问答,学生深刻认识到:材料的力学性能是由材料内部组织决定的,不同成分的合金在冷却过程中获得不同铁素体和渗碳体相对量的组织,含碳量越多,室温组织中铁素体越少,强化相渗碳体越多,钢材的强度、硬度增加,而塑性、韧性降低,合金的强度的变化则同时受基本相形状和分布的影响。当含碳量超过0.9%以后,由于强化相渗碳体开始呈网状分布,并逐渐以粗大片状或基体出现,合金强度逐渐下降。
6、及时试验让学生感到学有所用
通过多媒体详细介绍铁碳相图的识读和应用之后,我们及时安排一次实验教学,让学生在试验中体会学习的自豪感和满足感,同时增强学生对学习铁碳相图重要意义的理解。如安排学生分别做20、45和铸铁的拉伸和硬度试验,并同时磨制金相试样,通过显微镜观察金相组织。一系列的试验分析比较之后,学生将抽象的理论与实际紧密联系起来,合金组织具体了,对铁碳相图的认识提高了,为学生学好后续内容打下牢固的基础。
实践表明,巧妙地设计教学过程,合理把握教学要点,使学生在学习过程中有求知欲,有满足感和成就感,这样才能收到较好的教学效果。
参考文献
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[2]王体民.铁碳合金相图教学探究,中国科教创新导刊,2006.(9):46.
[3]邓文英.金属工艺学[M],高等教育出版社,1999.