铁碳合金相图_铁碳合金相图教学初探

　　摘 要 铁碳合金相图是《金属工艺学》课程教学的重点和难点，是表示铁碳合金组织、成分和温度之间变化规律的图形，在实际生产中具有重要的应用价值。本文对铁碳合金相图和它的教学设计进行了生动、全面的分析，希望可以使原本枯燥难懂的理论变得形象。
　　关键词 铁碳合金相图 组织 特性点 特性线
　　1 引言
　　相图理论阐明了相区及相图形成的规律，有利于学员理解不同相图之间的内在联系，提高学习相图理论的兴趣，为深入学习和应用复杂相图打下基础，铁碳合金相图是金属材料学科中的一个重要内容，在化工、冶金和材料等学科及相关的技术领域中都有着重要应用。
　　2 掌握相图的“形”是基础
　　针对铁碳合金相图抽象、繁杂、难以开展教学的特点，教学中可以先让学员认识相图的“形”。先把相图的完整图形呈现给学员，然后像讲解地图那样对相图进行详细分析。最终使学生理解相图是表示极缓慢冷却和加热条件下合金成分、状态、和温度之间的变化关系的图形，即相图上的点是采用热分析法测定的合金的临界转变温度，相图上的线是某些具有相同的点的集合，而相区是由特性线分割的不同组织的分布区域。
　　铁碳合金相图如下图所示：
　　我们可以把铁碳合金相图的形概括为十一个字：两平、三垂、五弧、九点、十二区。
　　“两平”——是指两条与横坐标平行的特殊线。即1148℃的共晶线ECF和727℃的共析线PSK。
　　“三垂”——是指含碳量为0.77%的共析成分和4.3%的共晶成分，以及含碳量为2.11%的钢与铸铁的分界线。
　　“五弧”——是指液相线AC段和CD段，固相线AE段，铁素体与奥氏体相互转变线GS，以及碳在奥氏体中的溶解度曲线ES。
　　“九点”——即相图上由字母标出的A，C，D，E，G，S，P，Q，K等临界点，它们是相图上最基本的组成。
　　3 理解组织转变规律是关键
　　当学员对相图有“形”的认识后，在讲相图中组织转变规律之前，对相图上的重要点——共晶点（C）LC=A+Fe3C、共析点（A）AS=F+Fe2C和重要线——共晶线ECF（1148℃）、共析线PSK（727℃）应特别注意讲解，这是相图的关键之处，是本节课的难点所在，因为要想理解相图中十二种组织的变化规律，就应从不同成分的合金的结晶过程入手。在分析结晶的过程中，重点是分析它们的结晶顺序及结晶过程、重结晶过程时各相中含碳量的变化与相图中温度的对应关系。
　　即要以共析与共晶为基础，在共晶温度以上时，（以C=4.3%成分为分界线）左边先结晶出奥氏体（A）相，剩余的液相成分向共晶成分（C =4.3%）转化，右边先结晶出一次渗碳体（Fe3CⅠ）相，剩余的液相成分也向共晶成分（C=4.3%）转化，即发生共晶反应LC=A+Fe3C ，这是必须讲透彻的难点之一。
　　其次，在共晶与共析的奥氏体（以C=0.77%的成分为分界线）随着结晶温度的降低，左边要析出铁素体（F），右边要析出二次渗碳体（Fe3CⅡ）相，使未转化的奥氏体中的含碳量向共析成分（C=0.77%）转化，即发生共析反应AS=F+Fe3C，这是第二个难点。
　　再者，就是共析成分（C=0.77%）右侧，共晶线（1148℃）与共析线（727℃）之间的奥氏体，其含碳量是沿碳在奥氏体中溶解度线（ES）变化的，缓慢冷却时是要析出二次渗碳体（Fe3CⅡ）相的。只要把握以上三个难点，学员就会很容易地掌握相图中各相的分布规律及成分、温度与组织三者间的关系。
　　除此之外，还要让学员了解，相图只是表示了平衡条件下的合金状态、成分和温度之间的变化关系，而在实际生产过程中，由于实际的加热和冷却速度要比平衡条件下快得多，在这种非平衡状态下，相图中的特征点、特征线都要发生偏移，发生滞后现象，实际的加热和冷却速度越快，滞后现象越严重。
　　4 综合运用相图理论是目的
　　铁碳合金相图是本章乃至全书的重点内容，本节包括铁碳合金相图组成、铁碳合金相图中特征点、线的含义及各区域内的组织、铁碳合金的分类、铁碳合金的成分、组织与性能的关系、铁碳合金相图的应用五个部分。
　　前两个内容已贯穿相图始终，第三个内容铁碳合金的分类，利用绘制好的相图，分别以成分线C=0.00218% ，C=2.11%和C=6.69%为界，划分出工业纯铁、钢和白口铸铁，并结合教材的列表形式，给出各种材料的室温组织，含碳量、显微组织及性能特点等，采用对比教学法，使学员对铁碳合金的室温组织有较为全面的了解。
　　第四个内容——铁碳合金的成分、组织与性能的关系，是本节画龙点睛的部分，要特别强调，铁碳合金的成分与组织的关系是：随着含碳量的增加，组织中的铁素体逐渐减少，渗碳体逐渐增加；铁碳合金的成分与性能的关系是：当含碳量小于0.9%时，随着含碳量增加，钢的强度、硬度提高，塑性、韧性下降；当含碳量大于0.9%时，随着含碳量增加，钢的硬度仍然提高，但钢的强度、塑性、韧性下降，由于出现了网状渗碳体的缘故，故生产中钢的实际含碳量一般小于1.4%。
　　第五个内容——铁碳合金相图的应用，突出相图在选材及铸、锻、焊、热处理方面的指导作用，说明各种加工工艺与相图有着密切的关系。
　　总之，本节中铁碳合金相图是“帅”，统领这几部分的内容。能够通过这一节的学习，综合运用相图理论来分析问题、解决问题，为后续章节的学习打好基础，这才是教学最终的目的。
　　5结束语
　　在讲解相图的过程中除了在开始认识相图时必要的板书和板图外，在相图的分析和讲解中把相图中的点、线、区和不同成分合金冷却过程中组织变化的规律，通过使用多媒体课件的动画演示加以展现，调动学员学习的积极性，加深学员对相图的理解和掌握，将会获得语言表述所无法达到的教学效果，还应多方收集教学资料，阅读大量的教学书籍，认真学习教育教学理论，不断提高教学技艺和专业水平，精心组织，把握教学的重点、难点，千方百计调动学员学习积极性，借助试验、现场教学等方式使教学内容具体化、形象化，会对铁碳合金相图理解和掌握起到事半功倍的作用。
　　参考文献：
　　[1]邓文英：《金属工艺学》（第五版）[M]，高等教育出版社，2010
　　[2]许德珠：《机械工程材料》（第二版）[M]，高等教育出版社，2001
　　[3]王体民：《铁碳合金相图教学研究》[J]，《中国科技创新导刊》，2008年第9期
　　作者简介：
　　陈昕阳：（1985～），男，江苏徐州人，空军勤务学院航空兵军交运输指挥系机械基础教研室助教，主要从事计算机绘图教学研究。

推荐访问:相图 合金 初探 教学