抓住“三種轉變”學好簡明Fe-Fe3C相圖

山東 畢靜波

抓住“三種轉變”學好簡明Fe-Fe3C相圖

山東 畢靜波

《工程材料》是機電類專業的基礎必修課，簡明Fe-Fe3C相圖是重點與難點，其特點可以概括為“五多”，即“組織相多”、“概念多”、“特性點多”、“特性線多”、“相區多”。因此，教師難教，學生難學。筆者在教學實踐中總結出“抓住三種轉變，學好簡明Fe-Fe3C相圖”的教學方法，可以刪繁就簡，抓住重點，解決難點。

“五多”同素異構轉變；共晶轉變；共析轉變

1 先談“五多”

（1）“組織相多”即基本相有液相、鐵素體、奧氏體、滲碳體，組織有珠光體、萊氏體，與組織相相對應的符號分別為 L、F、A、Fe3C、P、Ld。

（2）“概念多”與組織相相對應的分別為液相L，是鐵碳內合金在熔化溫度以上形成的均勻液體；鐵素體F，指碳溶于α-Fe中形成的間隙固溶體體；奧氏體A，指碳溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體；滲碳體Fe3C，是一種復雜晶體結構的金屬化合物，是鐵碳合金中主要的強化相；珠光體P，是共析轉變的產物，是鐵素體F與滲碳體Fe3C組成的機械混合物；萊氏體Ld，是共晶轉變的產物，是奧氏體A與滲碳體Fe3C組成的機械混合物。

（3）“特性點多”，如表1所示。

（4）“特性線多”，如表2所示。

（5）“相區多”，如表 3 所示。

表3 簡明Fe-Fe3C相圖相區

2 “抓住三種轉變”

表1 簡明Fe-Fe3C相圖主要特性點

所謂“抓住三種轉變”，即抓住簡明Fe-Fe3C相圖中包含的純鐵的同素異構轉變、共晶轉變、共析轉變。

（1）首先談純鐵的同素異構轉變，自然界中大多數金屬結晶后晶格類型都不再變化，但少數金屬，如鐵、錳、鈷等，結晶后隨著溫度或壓力的變化，晶格會有所不同，金屬這種在固態下晶格類型隨溫度（或壓力）變化的特性為同素異構轉變。如圖1所示。純鐵的同素異構轉變可概括如下：

α-Fe和δ-Fe都是體心立方晶格，γ-Fe為面心立方晶格。純鐵具有同素異構轉變的特征，是鋼鐵材料能夠通過熱處理改善性能的重要依據。純鐵在發生同素異構轉變時，由于晶格結構變化，體積也隨之改變，這是加工過程中產生內應力的主要原因。那么，只有在此基礎上，我們才可以講述在鐵碳合金中，由于鐵和碳的交互作用，可形成下列五種基本組織：

鐵素體（F）、奧氏體（A）、滲碳體（Fe3C）、珠光體（P）、萊氏體（Ld）及其概念。

表2 簡明Fe-Fe3C相圖主要特性線

圖1 純鐵的同素異構轉變

（2）然后，談共晶轉變。共晶轉變是在一定的溫度下，從一定成分的液相合金中同時結晶出兩種成分和結構皆不相同的固相的反應，這時三相共存，可用公式L←→α＋β表示。對于鐵碳相圖而言含碳量為2.11%--6.69%的鐵碳合金，在1148℃的恒溫下發生共晶反應,產物是奧氏體(固態)和滲碳體(固態)的機械混合物，稱為“萊氏體”。有共晶反應 L4.3←→A2.11+Fe3C

（3）最后，談共析轉變。共析轉變是由一種固相轉變成兩種固相的固/固轉變叫做共析轉變。因為兩種新析出的固相成分互補后等于原始固相，新相析出過程中需要相偕共同析出，所以稱為共析轉變，可以用公γ←→α＋β表示。對于鐵碳相圖而言含碳量為0.0218%--6.69%的鐵碳合金，在727℃的恒溫下發生共析反應,產物是鐵素體(固態)和滲碳體(固態)的機械混合物，稱為“珠光體”。有共析反應A0.77←→F0.0218+Fe3C。共晶轉變與共析轉變的相圖特征十分相似，區別僅在于共析轉變的反應相是固相而非液相。

在Fe-Fe3C相圖中，可以把ECF和PSK兩條水平線比作兩個海平面，把ACD和GSE線比作在海平面上飛翔的兩只海鷗，因而整個圖形可視為“兩只海鷗首尾相連”，如圖2所示。后連接AE線，至此構成了Fe—Fe3C相圖的主要部分。這樣學生聽起來既有興趣，也容易記憶，便于學生的掌握。

圖2 兩只海鷗首尾相連圖

總之，只要抓住“三種轉變”，結合“兩只海鷗首尾相連”，學好簡明Fe-Fe3C相圖，掌握“五多”并不難。

[1]陸漱逸,王于林編.工程材料學.航空工業出版社,1987.

[2]鄧文英.金屬工藝學.高等教育出版社，1999.

[3]王紀安.工程材料與材料成形工藝.高等教育出版社，2000.

[4]王體民.鐵碳合金相圖教學探究.中國科教創新導刊，2008,9.

[5]楊雁霞.如何使學生掌握鐵碳合金相圖.職業教育研究，2004,8.

（作者單位：畢靜波，山東省威海職業學院機電工程系，講師，碩士）