铁碳合金相图的难点突破与应用

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摘要：铁碳合金相图中涉及的理论知识抽象，新概念较多，图形上的点、线、区都有着不同的含义，难以理解[1]。该知识是《金属材料与热处理》课程的重点和难点，如何突破难点让学生掌握这个重点是教学过程中必须要面对的问题。笔者在教学实践中经过研究发现了掌握铁碳合金相图及其应用之间的一些联系和规律，在实际教学中取得了很好的效果。

关键词：铁碳合金相图；热处理工艺；渗透作用

中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）16-0172-02

一、引言

铁碳合金相图是《金属材料与热处理》课程最重要的教学内容之一。它表示了平衡条件下合金成分、状态和温度之间的变化规律，是分析铁碳合金成分和组织变化规律的有效工具。

铁碳合金相图是该课程前述和后续知识之间的联系纽带，是学习后续章节的理论基础，是分析组织、判断性能、选择材料、确定热处理及铸锻焊工艺的重要依据，尤其是在热处理内容的教学中，热处理工艺的加热温度都是依据铁碳合金相图来确定。如果学生能把相图全面理解掌握，热处理章节的内容就会变得轻松自如[1]。

由于铁碳合金相图的内容比较抽象，相图中点、线、相区、组织、温度较多[2]，学生很难完全理解，只是机械地将铁碳合金相图中各区域的组织记下来，无法掌握各组织的转变规律，所以在教学过程中，往往老师觉得已经讲得透彻明白而学生却不知所云。如何使学生快速、彻底地理解和记忆铁碳合金相图，并能正确运用相图解决实际问题一直是我们在教学中思考和探讨的问题。

在教学实践的过程中，笔者以理论教学为主线，辅以相图为综合渗透，融会贯通，使学生既做到对理论的掌握，又得到能力上的锻炼。

在教学中笔者做了以下尝试。

二、前期铺垫

铁碳合金相图是研究钢铁的重要理论基础，实际生产中使用的铁碳合金的含碳量不超过5%，因而常用的铁碳相图只是Fe-C合金相图的一部分，即Fe-Fe3C相图。研究铁碳合金只需深入研究Fe与Fe3C相图部分就可满足生产上的要求。在此基础上，重点应掌握的是简化了的Fe-Fe3C相图，即略去了相图左上角的包晶相图部分，如图1所示。

在中职和高职的有关教材中出现的大多数是简化后的铁碳合金相图（如图1所示）。尽管经过简化，要让现在的中职甚至高职学生掌握这个相图有一定的难度。在以往的相图教学中，往往是按教材编写的顺序进行，首先讲解相图的组成，在讲解完相图的组成后便直接介绍相图上的点、线、区的含义。相图上的点、线、区众多，大多数学生往往不知老师所云，教学效果可想而知。既然学生不可能一下接受，那么可以对这个难点进行分解，让学生逐步接受。

在“铁碳合金相图”之前有一个内容，即“铁碳合金的基本组织与性能”。主要介绍了铁碳合金的五种基本组织，即铁素体F、奥氏体A、渗碳体Fe3C、珠光体P和莱氏体Ld的组成以及性能特点。在介绍其特点时都以文字说明，例如描述奥氏体：在1148℃时，溶碳能力达到2.11%，随着温度的下降，溶解度逐渐减小，在727℃时溶碳能力为0.77%[3]；描述莱氏体：莱氏体是奥氏体和渗碳体的混合物，用符号Ld表示，它是含碳量为4.3%的液态铁碳合金在1148℃时的共晶产物。当温度降到727℃时由于莱氏体中的奥氏体将转变为珠光体，所以室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，这种混合物称为低温莱氏体，用符号Ld'表示[3]。

让学生记住这些枯燥的文字很困难，而这些知识点又比较重要，如果掌握不好，铁碳合金相图的教学将更难进行。从表现手法上看，图形展示比文字描述形象得多。如果将这些语言转化为图形并且与后续的铁碳合金相图联系起来效果会更好。

笔者进行了如下处理：将奥氏体、珠光体和莱氏体的文字描述转化为图2所示，其他组织类似。通过将文字转化为图形，学生能更好地接受。将一段很长的文字转变成一个简单的图形看似容易，其实要求教师在教学过程中要善于发现知识之间的联系，找到有机结合点，巧妙转变，使教学达到事半功倍的效果。

三、理解相图

在讲授铁碳合金相图时，有的教师事先备好图，有的事先备好课件，上课时对着图形讲，认为这样可以提高上课的效率，事实证明，这样做的效率提高了效果却下降了。在教学过程中由于相图的绘制相对比较简单，可以将图形分成若干阶段去完成，这样便于学生的理解和记忆。通过对相图深入的研究发现，掌握相图的难点在于如何记忆各区域的组织。

笔者在教学过程中对这个内容作了如下处理。

1.基本组织先标好。根据前面所学的知识将已知的组织填入所划分的区域，先填入简单的与前面所学知识有关的组织，如铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体等。这些组织前面都已经学过，在图上相应的位置标注出来应该比较容易。而最上面一个液体L是因为那个区域温度最高，当温度最高时所有的组织都会变成液体（如图3所示）。这些区域组织的标注要与学生共同分析，与知识准备联系起来，找到知识间的连接点，形成知识链，便于学生形成记忆。

2.相间组织共逍遥。在图3的基础上标出图4画圈部分的三个区域的组织，引导学生注意观察这三个区域组织的特点，让学生找出规律。

总结归纳如下：先标基本组织，其他区域的组织等于相邻区域的组织的混合，例如奥氏体A和液体L之间的区域组织就是A+L，其他区域类似。让学生根据以上的标注及总结的规律完成图5的填空，分析图5中右边的三个区域有一个共同的组织Fe3CI，中间的四个区域有共同的组织Fe3CII，指导和引导学生发现共性。提醒学生注意含碳量为2.11%时没有组织，含碳量为0.77%和含碳量为4.3%时的组织。通过便讲授边绘制让学生共同参与完成相图，可以留给学生更多思考的时间，让学生在这个过程中感受到学习的乐趣。

3.实践效果。为了让学生更加牢固的掌握相图，学会运用相图，教会学生绘制简化后的铁碳合金相图是最为有效的教学方法。让学生根据绘制的步骤自己进行绘制，在绘制的过程中，学生必须手脑并用，从而进一步加深他们对相图的理解。在教学过程中和学生一起边绘制、边讲解，教师和学生之间实现了良好的互动，课堂气氛活跃，学生注意力集中，学生从手脑并用变成了手、口、脑并用。通过这样的讲练结合，学生对相图的理解得到了有效的加强。

四、相图应用

1.在铸造生产中的应用。铸造性能主要取决于金属的流动性、收缩性和偏析倾向等。流动性好的金属，充型能力强，能获得轮廓清晰、尺寸精确、外形完整的铸件。而金属只有在温度最高呈液态时流动性才最好。结合铁碳合金相图，指出ACD区是液相区，确定浇注温度一般在液相线以上150C°左右，并且可选择流动性好的合金，即接近共晶成分的合，应用最为广泛。

2.在锻造工艺上的应用。塑性越小，变形抗力越小，则金属的锻压性能越好。铁碳合金中，含碳量越低，锻压性能越好。而通过铁碳合金相图可知，钢经加热后获得单相的奥氏体组织，其强度低，塑性好，易于塑性变形加工。因此，钢材轧制或锻造的温度范围多选在单一奥氏体区。确定始煅温度1150～1250C°，终煅温度是750～800C°左右。重要零件生产都要采用锻钢，锻造生产可以使粗大晶粒变成细小晶粒。晶粒愈细小，金属性能愈好。

3.在热处理工艺上的应用。常规热处理即退火、正火、淬火和回火加热温度的选择都要依据铁碳合金相图。退火的加热温度与GS线和PSK线有关，加热之后随炉冷却；正火的加热温度与GS线和SE线有关，加热之后放在空气中冷却；淬火的加热温度与GS线和PSK线有关，加热之后放在冷却介质中冷却；而回火是对淬火后的钢重新加热后保温一定的时间再冷却到室温的热处理工艺。退火、正火、淬火、回火是热处理中的“四把火”，“四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺。

通过在铁碳合金相图中将退火、正火、淬火、回火温度加以比较，可以让学生对热处理概念有一个清晰的认识。

五、总结

铁碳合金相图内容抽象，概念繁多，成分、组织和相图之间的关系又很复杂。本文对铁碳合金相图的区域组织如何识记进行了全面的分析，通过前期铺垫，“顺藤摸瓜”，抓共性找差异等方法使学生快速、彻底的掌握铁碳合金相图的组成。在热处理工艺的教学中，通过有效利用相图辨清四种常规热处理的加热温度和冷却方式，使学生更加明白铁碳合金相图的重要性，教学效果良好。

参考文献：

[1]丁艳辉，朱文英.铁碳合金相图教学方法浅议[J].商丘职业技术学院学报，2010，2（9）：66-68.

[2]王丽.铁碳合金相图教学方法探讨[J].正德学院学报，2010，8（2）：22-25.

[3]陈志毅.金属材料与热处理[M].（第五版）.北京：中国劳动和社会保障出版社，2007.

作者简介：吴建丽（1980-），女，江苏南通人，徐州技师学院机电工程系，讲师，工程硕士在读，主要从事机械设计理论研究；仇文宁（1970-），男，江苏徐州人，江苏省徐州技师学院科研处，教授，教授级高级讲师，高级工程师，主要从事机械设计理论研究和计算机辅助设计工作。