文/但晉川，自貢市職業(yè)培訓(xùn)學(xué)院

鐵碳合金相圖的教學(xué)探討

文/但晉川，自貢市職業(yè)培訓(xùn)學(xué)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(yīng)用場(chǎng)合也不一樣。在材料學(xué)中, 鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金組織、性能變化規(guī)律的基本工具；在生產(chǎn)實(shí)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(jù)，故鐵碳合金相圖是機(jī)械工程材料課程教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn),由于其理論抽象、概念繁雜,對(duì)于中職學(xué)生而言要學(xué)好本節(jié)內(nèi)容有一定的難度。本文根據(jù)筆者教學(xué)實(shí)踐，就鐵碳合金相圖的教學(xué)展開探討。

鐵碳合金相圖；教學(xué)

鐵碳合金相圖是學(xué)習(xí)鋼鐵材料的重要理論基礎(chǔ)，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(tài)隨溫度變化的圖形。它是反映“成分—溫度—組織”三者之間關(guān)系的圖解，圖中縱坐標(biāo)表示溫度，橫坐標(biāo)表示碳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），左端原點(diǎn)表示純鐵（Wc=0%），右端點(diǎn)為Fe3C（Wc=6.69%）。橫坐標(biāo)上任意一個(gè)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(duì)其組織的影響，繼而推斷其力學(xué)性能，確定其應(yīng)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(chǎn)中沒有實(shí)用價(jià)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(jīng)簡化后的Fe-Fe3C相圖

1 對(duì)相圖的結(jié)構(gòu)初步認(rèn)識(shí)

中職教材中通常將Fe-Fe3C相圖做了一個(gè)簡化，同時(shí)，可以概括為十一個(gè)字：“兩橫、三縱、五弧、九點(diǎn)、十二區(qū)”。

“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(zhuǎn)變線GS；以及碳在奧氏體中的溶解度曲線ES。

“九點(diǎn)”是指相圖上由字母標(biāo)出的A、C、D、E、G、S、P、Q、K等臨界點(diǎn)。

“十二區(qū)”是由點(diǎn)和線把相圖分割成的12個(gè)不同的相或組織狀態(tài)的區(qū)域。

2 認(rèn)識(shí)Fe-Fe3C相圖中符號(hào)、點(diǎn)和線的含義

對(duì)于相圖中符號(hào)和點(diǎn)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(jié)晶過程入手，重點(diǎn)分析結(jié)晶順序、結(jié)晶過程和重結(jié)晶過程時(shí)各相中含碳量的變化與相圖中溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

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

（2）分析各相區(qū)的成分隨溫度的變化與含碳量的關(guān)系。相圖的上半部由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的一次結(jié)晶，ACD為液相線，含碳量＜4.3%的液態(tài)合金冷卻到AC線溫度時(shí)，過飽和的鐵逐漸以奧氏體的形式結(jié)晶出來,剩余液體的含碳量趨近4.3%，1148℃時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變而生成萊氏體Ld；含碳量＞4.3%的液態(tài)合金冷卻到CD線溫度時(shí),過飽和的碳逐漸以一次滲碳體(Fe3CⅠ)的形式結(jié)晶出來,剩余液體的含碳量趨近4.3%,1148℃時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變而生成萊氏體Ld。固相線AECF以下，E點(diǎn)以左是奧氏體區(qū),E—C成分之間是先析相奧氏體+萊氏體區(qū),C—F成分之間是先析相一次滲碳體+萊氏體區(qū)。共晶線ECF以下所有液體合金均結(jié)晶為萊氏體。相圖下半部分圖形為固態(tài)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(jié)晶出來,使剩余奧氏體的含碳量趨近0.77%，727℃時(shí)亦發(fā)生共析轉(zhuǎn)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(jié)晶出來,使剩余奧氏體的含碳量趨近0.77%，727℃時(shí)亦發(fā)生共析轉(zhuǎn)變而生成珠光體。共析線PSK以下所有奧氏體均轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。同理,萊氏體中的奧氏體也轉(zhuǎn)變成珠光體,此時(shí)的萊氏體叫做低溫萊氏體(L’ d)。

4 強(qiáng)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(gè)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(gòu)成了相圖的主要框架，從而使抽象而復(fù)雜的相圖形象化，強(qiáng)化學(xué)生的記憶效果。

5 繪制Fe-Fe3C相圖

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

溫度成分建坐標(biāo)，鐵碳二元要記牢；

兩橫三縱標(biāo)特點(diǎn)，九星閃耀五弧交；

共晶共析液固線，十二里面組織標(biāo)；

基本組織先標(biāo)好，相間組織共逍遙；

分析成分?jǐn)嘟M織，鑄鍛工藝離不了。

在繪制相圖的過程中，與學(xué)生邊念、邊繪、邊講，實(shí)現(xiàn)了良好互動(dòng)，課堂氣氛活躍，學(xué)生手、口、腦并用，注意力集中，激發(fā)了興趣，提高了課堂效率。

6 結(jié)束語

教學(xué)過程中，除了必要的板書和板圖外，可以使用多媒體以動(dòng)畫的形式加以展現(xiàn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，加深學(xué)生對(duì)鐵碳合金相圖的認(rèn)識(shí)、理解和掌握，同時(shí)，把握教學(xué)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，將復(fù)雜、抽象的內(nèi)容具體化、形象化，起到事半功倍的作用。

［1］張金鳳．機(jī)械工程材料．—北京：中國勞動(dòng)社會(huì)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(dòng)社會(huì)保障出版社，2011．

［3］宋杰．工程材料與熱加工［M］．大連理工大學(xué)出版社，2008．

但晉川（1984—）男，四川省榮縣人，自貢市職業(yè)培訓(xùn)學(xué)院機(jī)械加工教研室教師，助理講師，主要從事機(jī)械加工專業(yè)理論課教學(xué)工作。