怎樣學好“鐵碳合金狀態圖”

王延花

摘 要：《金屬工藝學》是職業中專機械類專業的必修課，而“鐵碳合金狀態圖”是本課程的重點，其地位不言而喻。怎樣來學習這一部分，突破這一瓶頸，使多數同學都能較好的掌握呢？本文就闡述了這部分的學習方法。

關鍵詞：金屬工藝學 鐵碳合金狀態圖 必修課

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）03（a）-0167-02

《金屬工藝學》是職業中專機械類專業的必修課，而“鐵碳合金狀態圖”是本課程的重點，其地位不言而喻。學好鐵碳合金狀態圖，不但為后續課程的學習打下基礎，同時也能培養學生正確選擇和合理使用合金材料、熱處理加工工藝等能力。但是，學生普遍反映“鐵碳合金狀態圖”難以理解和掌握。的確，由于該部分內容較為抽象、理論性較強、知識覆蓋面廣，同時又缺乏具體的實驗或教具可以演示，而且職專學生對于純理論知識的接受能力普遍差等原因，致使鐵碳合金狀態圖成為了難點。那么，怎樣來學習這一部分，突破這一瓶頸，使多數同學都能較好的掌握呢？筆者根據幾年的教學經驗，認為可以按照以下的步驟來進行學習。

1 激發興趣

俗話說“興趣是最好的老師”。鐵碳合金狀態圖內容枯燥而抽象，而且不能通過實踐的方法獲得，不易被學生接受，致使學生容易產生厭煩情緒。因此，首先要激起學生的學習興趣?？梢酝ㄟ^這樣幾個途徑。

（1）充分利用緒論內容，激發學生學習的自豪感。

我國是世界上使用銅、鐵最早的國家，早在4000年前就開始使用銅。河南安陽出土的商代司母戊大鼎，是迄今世界上最古老的大型青銅器。我國春秋時期開始用鑄鐵作農具，比歐洲國家早1800多年。我國戰國時期制劍技術已相當高明。西漢時期制作的金縷衣舉世無雙。漢代的長信宮燈、青銅奔馬有很高的工藝水平。北京大鐘寺明代永樂大鐘重46.5噸，鑄有佛經銘文23萬字，鐘聲悠揚悅耳，是中外有名的古代佛中王。然后，可通過數據、圖片等資料介紹鋼鐵材料在機械、建筑等領域內的應用，強調學好鐵碳合金狀態圖的重要性。

（2）教師可以把日常生活中和金屬材料相關的一些知識以圖片或視頻等的形式展示給學生，使他們對金屬材料形成初步的認識；然后讓學生帶著問題去學習。教師可列舉一些生活中常見的現象，并提出疑問。比如：彈簧為什么具有彈性？什么樣的材料才具有彈性？為什么有的鐵很軟而有的卻很硬？這些問題的提出就促使學生去學習，學習目的也就很明確了。

通過理論和實際的結合，學生的學習積極性就被充分調動起來了。

2 打好基礎

在學習“鐵碳合金狀態圖”之前，首先要搞清楚這樣幾個概念。

（1）鐵素體：指碳在α-鐵中形成的固溶體，用F表示，碳的溶解度很小。（2）奧氏體：指碳在γ-鐵中形成的固溶體，用A表示，碳的溶解度較大。（3）滲碳體：指含碳量6.69%的鐵與碳的金屬化合物，化學式為Fe3C。（4）珠光體：指鐵素體與滲碳體的混合物，用P表示。（5）萊氏體：指1148 ℃時奧氏體與滲碳體的混合物，用Ld表示。奧氏體在727 ℃時轉換成珠光體，因此室溫下的組織為珠光體與滲碳體的混合物，稱為低溫萊氏體，用Ld表示。

以上均是鐵碳合金的基本組織，它們在學習鐵碳合金狀態圖時極其重要。

學習過程中，還有兩種反應也需要我們了解。

（1）共晶反應：由一定成分的液體合金中同時結晶出兩種固相物質的轉變過程。（2）共析反應：在固態下由一種單相固溶體同時析出兩相固體物質的轉變過程。

如果我們用縱坐標表示溫度，橫坐標表示碳含量（碳的質量分數）。橫坐標上左端原點碳含量為零，即為純鐵；右端點碳含量為6.69%，即滲碳體（碳含量大于6.69%的鐵碳合金脆性很大，沒有實用價值）；橫坐標上任何一點，均代表一種成分的鐵碳合金，那么現在我們就可以來“認識”鐵碳合金狀態圖了（如圖1）。

面對這樣復雜的圖形，從哪里著手學習呢？所謂“打蛇打七寸”，必須先抓主干，把主要內容先理清楚了，繼而進行全面學習。因此，先認識一下其中的特性點和特性線。

（1）特性點。

①A點：純鐵的熔點，溫度為1538 ℃。

②C點：共晶點，溫度為1148 ℃，發生共晶反應L（液相）（A+Fe3C），即萊氏體。

③D點：滲碳體的熔點，溫度為1227 ℃。

④E點：碳在奧氏體中的最大溶解度。

⑤S點：共析點，溫度為727 ℃，發生共析反應A（F+Fe3C），即珠光體。

（2）特性線。

①ACD線：液相線，其上均為液相，其下有固態出現。

②ACEF線：固相線，其上為液固共存的狀態，其下全為固態。

③ES線：碳在奧氏體中的溶解度線。

④GS線：從奧氏體中析出鐵素體的開始線。

⑤PSK線：共析線，發生共析反應，LL+AAP。

分清了特性點和特性線，對鐵碳合金狀態圖也就有了初步的認識：液相線以上全為液態，這條線開始結晶出固態：C點以左首先結晶出奧氏體，C點以右首先結晶出滲碳體，C點同時結晶出奧氏體和滲碳體，即珠光體。隨著溫度的下降，碳在奧氏體中的溶解度逐漸降低，逐量被析出，自然和鐵重新組合，生成金屬化合物：滲碳體。同時，溫度的下降，使得組成奧氏體的γ-Fe發生同素異構轉變，因而組織隨之改變。此時，若自己能夠大致繪出鐵碳合金狀態圖就達到要求了。如此，接下來就應分析具體的合金結晶過程了。

3 以兩種反應為指導，分析組織

通過以上對特性點和特性線的分析，很自然的把合金狀態圖分為6部分（1線無意義，可忽略），如圖1所示。根據碳含量和室溫組織不同，將鐵碳合金分成三類。

3.1 鋼：含碳量為0.0218%～2.11%的鐵碳合金

（1）共析鋼：含碳量為0.77%的鐵碳合金。（2）亞共析鋼：含碳量小于0.77%的鋼。（3）過共析鋼：含碳量為0.77%～2.11%的鋼。

3.2 白口鑄鐵：含碳量為2.11%～6.69%的鐵碳合金

（1）共晶白口鑄鐵：含碳量為4.3%的鐵碳合金。（2）亞共晶白口鑄鐵：含碳量為2.11%～4.3%的鐵碳合金。（3）過共晶白口鑄鐵：含碳量為4.3%～6.69%的鐵碳合金。

3.3 工業純鐵：碳含量小于等于0.0218%

現在可以對共析鋼和共晶白口鑄鐵這兩種典型的鐵碳合金（即Ⅰ線和Ⅳ線）的結晶過程進行分析。

Ⅰ線的結晶過程：ACD以上為液態，到此線開始有固態奧氏體出現，AECF線為止全部轉化成固態奧氏體，GS線開始有鐵素體析出，PSK線奧氏體全部轉化為鐵素體和珠光體。S點發生共析反應，奧氏體轉變成珠光體，即：

LL+AAP

Ⅳ線的結晶過程：ACD以上為液態，C點發生共晶反應，液態合金變成萊氏體；PSK線以下萊氏體變成低溫萊氏體，即：

LLdLd

以此類推，可以分析出其它鐵碳合金的結晶過程：

亞共析鋼：LL+AAF+AF+P；過共析鋼：LL+AAA+Fe3CP+Fe3C；亞共晶白口鑄鐵：LL+AA+Fe3C+LDP+Fe3C+Ld；過共晶白口鑄鐵：LL+Fe3C Ld+Fe3CLd+Fe3C

4 總結規律

通過對典型鐵碳合金結晶過程的分析，不難得出這樣的結論。

（1）無論哪種成分的合金，在冷卻的過程中如果遇到共晶反應線，液體就一定會析出萊氏體。（2）無論哪種成分的合金，在冷卻的過程中如果遇到共析反應線，奧氏體一定會變成珠光體。（3）從鐵碳合金狀態圖的室溫組織可以看出，任何成分的鐵碳合金的室溫組織一定是有鐵素體和滲碳體組成；隨著碳含量的增加，鐵素體的含量逐漸減少，滲碳體的含量逐漸增多，且滲碳體的成分和狀態也會發生變化。

5 學以致用

（1）選材方面的應用：比如，建筑結構和各種型鋼需要塑性好、韌性好的材料，應選用碳含量較低的鋼材。機械零件需要強度、塑性及韌性都較好的材料，應選用碳含量適中的鋼材。各種工具要用硬度高和耐性好的材料，則選用碳含量高的鋼材。（2）鑄造方面的應用：共晶成分的鑄鐵，結晶溫度最低，結晶溫度范圍最小，因而流動性好，鑄件致密，因此生產上鑄鐵的成分總是接近共晶成分。（3）鍛造方面的應用：鋼的鍛軋溫度一般選在單相奧氏體區，始鍛溫度不能過高，終鍛溫度不能過低。（4）焊接方面的應用。（5）熱處理方面的應用。

6 加深理解，強化記憶

可以采用下面的練習題來進行訓練。

1、Fe—Fe3C狀態圖上SE線，用代號（ ）表示。

A.A1 B.Acm

C.A3 D.ACl

2、Fe—Fe3C狀態圖中發生共析轉變時，從奧氏體中析出（ ）混合物。

A.鐵素體 B.萊氏體

C.滲碳體 D.珠光體

3.、Fe—Fe3C狀態圖上共晶線是（ ）

A.ECF線 B.ACD線

C.PSK線 D.AECF線

4、研究鐵碳合金狀態圖時，圖中最大含碳量為（ ）

A.0.77% B.2.11%

C.4.3% D.6.69%

5、發生共晶轉變的含碳量范圍是（ ）

A.0.77%～4.3%

B.2.11%～4.3%

C.2.11%～6.69%

D.4.3%～6.69%

6、液態合金在平衡狀態下冷卻時結晶終止的溫度線叫（ ）

A.液相線 B.固相線

C.共晶線 D.共析線

7、共析鋼的含碳量為（ ）

A.Wc=0.77% B.Wc>0.77%

C.Wc<0.77% D.Wc=2.11%

8、Wc<0.77%的鐵碳合金冷卻至A3線時，將從奧氏體中析出 （ ）

A.鐵素體 B.滲碳體

C.珠光體 D.萊氏體

9、Wc>4.3%鑄鐵稱為 （ ）

A.共晶白口鑄鐵

B.亞共晶白口鑄鐵

C.過共晶白口鑄鐵

D.共析白口鑄鐵

10、鐵碳合金相圖中，S點是（ ）

A.純鐵熔點 B.共晶點

C.共析點 D.純鐵同素異構轉變點

11、鋼的含碳量一般在 （ ）

A.0.77%以下 B.2.11%以下

C.4.3%122T D.6.69%以下

12、關于共析轉變和共晶轉變含義的說明，正確的說法是（ ）

A.共析轉變是指一定成分的合金液體溶液冷卻時轉變為兩種或更多緊密混合的固體的恒溫可逆轉變，其形成的組織為共析組織。

B.共晶轉變是一定成分的固溶體冷卻時轉變為兩種或更多緊密混合的固體的恒溫可逆轉變，其形成的組織為共晶組織。

C.共析轉變是一定成分的固溶體冷卻時轉變為兩種或更多緊密混合的固體的恒溫可逆轉變，其形成的組織為共析組織。

D.以上說法都不對。

13、Fe—Fe3C相圖中的GS線是冷卻時奧氏體析出鐵素體的開始線，奧氏體向鐵索體的轉變是（ ）

A.碳在奧氏體的溶解度達到飽和的結果。

B.溶劑金屬（鐵）發生同素異構轉變的結果。

C.奧氏體發生共析轉變的結果。

D.以上都是。

14、碳在鐵素體中溶解度很小，727 ℃時為（ ）

A.0.0218% B.0.77%.

C.2.11% D.4.3%

15、鐵碳合金的室溫組織相包括鐵素體和（ ）

A.奧氏體 B.萊氏體

C.滲碳體 D.珠光體

這樣一步步下來，相信學生都能把鐵碳合金狀態圖真正的理解并且掌握了。

參考文獻

[1] 郁兆昌.金屬工藝學[M].2版.高等教育出版社，2007.