淺淡“金屬材料與熱處理”中鐵碳合金相圖的教學

“金屬材料與熱處理”是技工學校機械類專業的一門專業基礎課，其課程中的鐵碳合金相圖（以下簡稱相圖）一節所涉及的內容具有概念多、理論性強、抽象等特點，具有教與學的雙重難度，往往是教師教得累，學生學得苦。如何避免這種現象，爭取更好的教學效果呢？筆者結合教學實際談些自己的體會。

一、識圖

對初學者來說，相圖是非常陌生而深奧的新概念，因此教師應先對學生進行必要的啟蒙教育。在明確相圖的概念時，教師要強調研究相圖的重要作用，提醒學生引起高度重視，并做好啃 “硬骨頭”的心理準備，端正學習態度。

教師切莫急于求成，不能一把相圖掛出來就開始介紹，而是要采取循循善誘的方法，防止挫傷學生的積極性。例如，教師把源于最初圖形的5個區Fe-C化合物組成的相圖一邊講解一邊畫在黑板上，使學生從中明白圖中穩定的化合物可以作為獨立的組元，由于鐵碳二元素相互作用形成了不同性能的合金材料，當含碳量大于5%時，鐵碳合金材料實用價值不大（脆性大）。因為在實際生產中只能采用能用的材料，因此就僅限于對Fe-Fe3C部分進行研究，即含碳量為0%～6.69%的范圍內，這就是人們常說的相圖。教師可進一步把此圖形順利演變成現在能用的較復雜的相圖圖形，自然而然地呈現在黑板上。同時教師也要指出，該相圖中省略了用處不大的左上角和左下角兩處，才成為現在的所謂簡化后的Fe-Fe3C相圖圖形。教師要及時強調圖上的坐標具有的象征性標志意義，如在兩側的坐標分別表明著純鐵的固有屬性，而橫坐標則表明了部分鐵碳組織的碳含量。這樣步步深入的過程有利于培養學生邊繪圖邊識圖的技巧和分析相圖的清晰思路，為下一步理解相圖打下良好的基礎。

二、解圖

1.注重解析相圖中重要的點、線的意義

這部分為相圖的重點內容，教師在授課時要精心設計，重點突破。對于重點內容，教師應注重其特性和實用意義的講解。在學生對相圖有了一定的認識基礎之后，教師要因勢利導，把學生的注意力引向理解相圖中的7個特性點和6條特性線上，以及鋼部分與奧氏體鄰近區域及以下幾個區域的組織上來，針對問題進行重點解析，突出強調這些內容與生產實踐的密切聯系。例如，奧氏體與共晶點，共析點，A1、A3、Acm3個常用線之間存在著的順逆轉變的關系，將對鋼鐵材料的合理使用，各種熱加工工藝及工藝廢品的分析等都具重要的指導意義。在教學的過程中，教師要善于運用創新手段開展教學活動，多做實驗、合理利用多媒體等，這樣有助于加深學生理解，從而取得事半功倍的教學效果。

2.區域的組織特征辨別

鐵碳合金結晶后的固態組織結構不盡相同，教師要利用顯微鏡讓學生觀察其組織結構的特征，辨別差異。教師要告知學生，正是這些不同的差異決定了其力學性能的不同，從而決定了材料能否在使用中發揮效能。搞清顯微組織的結構特點，查清其原因，做出正確判斷，無疑對材料的改性等工藝以及追求最佳決策方案具有非常重要的指導意義。

三、畫圖

實踐證明，為了鞏固教學效果，教學過程中師生一起邊吟（相圖決）、邊畫、邊講，互相交流繪圖技巧，是行之有效的方法之一。所謂“熟能生巧”，練多了，學生自然就掌握了畫圖方法，強化了對相圖的理解，無形中使學生沉浸在想象相圖的意境中，欣賞畫圖成果，隨時反映相圖特征，為今后的學習和工作打下扎實的功底。

四、歸納

通過對相圖的學習，一些學生會感到所要掌握的知識太多、太散，難以構成知識鏈，時間一長就摸不著頭腦了。于是他們就想把學過的課程濃縮成精華，編輯成易于掌握的資料，以便于今后的學習和工作參考，這就需要教師出面幫助解決了。教師把所講過的課程進行必要綜合，可采用圖表之類的形式推薦給學生。

五、應用

綜上所述，學生應當明白，相圖表明了含碳量不同時，其組織、性能的變化規律也提示了相圖中的不同成分在不同溫度下組織和性能的變化。正因為如此，教師更應著重強調這些鋼鐵材料在生產實踐中廣泛應用的重要依據。教師可以從以下幾個方面加以說明。

1.在選材方面的應用

鐵碳合金相圖總結了鐵碳合金的平衡組織和性能隨成分變化的規律，為按力學性能要求進行零件的選材提供了依據。對于要求塑性、韌性好的建筑結構構件和各種型鋼等應選碳質量分數較低、鐵素體組織多的鋼材，即碳質量分數小于0.25%的低碳鋼；對強度、塑性、韌性都有較高要求的機械零件應選用碳質量分數適中的中碳鋼；對要求高硬度、高耐磨性的各種工具則應選碳質量分數高的鋼種。白口鑄鐵硬度高、脆性大，不能進行切削加工及鍛造成形，應用很少，但其耐磨性很高，可用于少數需耐磨而不受沖擊的零件（如拔絲、軋輥、球磨機的磨球等）。隨著生產技術的發展，對鋼鐵材料的要求不斷提高，因此，鐵碳合金相圖可作為材料研制中預測其組織的基本依據，還可在碳鋼中加入合金元素改變共析點的位置，從而提高鋼的硬度和強度。

2.在鑄造工藝方面的應用

相圖標明了不同成分鋼和鑄鐵的熔點，根據相圖可以合理地確定合金的澆注溫度，澆注溫度一般在液相線以上50°C～100°C。而且從相圖上還可以看出，純鐵和共晶合金的鑄造性能最好，能獲得優質鑄件，所以鑄造合金成分常選在共晶成分附近。在鑄鋼生產中WC=0.15%～0.60%時結晶溫度區間較小，鑄造性能相對較好，所以常被選用。

3.在鍛軋工藝方面的應用

由于奧氏體具有良好的塑性變形能力，因此，鋼的鍛造或軋制選在單相奧氏體區適當的溫度范圍內進行。一般始鍛溫度控制在固相線以下100°C ～200°C，不能過高，否則，易引起鋼材氧化嚴重、過熱或過燒。始鍛溫度也不能過高或過低，以免奧氏體晶粒粗大或鋼材塑性變差而導致裂紋。一般對亞共析鋼的終鍛（軋）溫度控制在稍高與GS線即A3線；過共析鋼控制在稍高于PSK線即A1線。實際生產中，各種碳鋼的始鍛（軋）溫度為1150°C～1250°C，終鍛（軋）溫度為750°C～850°C。

4.在焊接工藝方面的應用

由于焊接工藝的特點是對焊接材料進行局部加熱、熔化并冷卻結晶，使焊件上不同的部位處于不同的溫度條件下，而整個焊縫區相當于經受一次冶金過程或不同加熱規范的熱處理過程而出現不同的組織，引起性能不均勻。根據Fe-Fe3C相圖可分析碳鋼焊縫組織并用適當的熱處理來減輕或消除組織不均勻而引起的性能不均勻，或選用適當成分的鋼材來減輕焊接過程對焊縫區組織和性能產生的不利影響。

5.在熱處理工藝方面的應用

Fe-Fe3C相圖對于鋼的熱處理工藝的制定有極為重要的意義，各種熱處理工藝的加熱溫度都是以相圖上的臨界點A1、A3、Acm為依據的，具體詳見下述：

應用Fe-Fe3C時應注意以下兩個方面的問題：①鐵碳合金相圖中僅有鐵碳兩種元素，而工程上使用的鐵碳合金，除鐵、碳兩種元素外，尚有其他多種雜質或合金元素，這些元素對相圖會有所影響；② Fe-Fe3C相圖雖然表示了鐵碳合金在不同溫度下的組織狀態，但這種組織是以極慢冷卻速度冷卻得到的平衡組織，而生產實踐中，冷卻速度不可能如此緩慢，在冷卻速度較快時，合金的相變臨界點及冷卻后的組織與相圖中所表示的不同。歸根到底，其目的在于使學生獲取更多具有實用價值的知識，對今后鋼鐵材料的合理使用、各種熱加工工藝的制定及工藝廢品的分析提供了理論依據。我們有理由相信，只要學生充分發揮所掌握的知識，將來就能在自己的工作崗位上做出自己應有的貢獻。

（責編 王鵬飛）