各個擊破“鐵碳合金相圖”教學難點

摘 要：鐵碳合金相圖的繪制、分析和應用是金屬材料與熱處理教學中的重點，也是難點。本文提供了破解“鐵碳合金相圖”教學難點的方法，只有化解該難點，掌握并靈活運用鐵碳合金相圖，才能充分理解這門課及其他各章節的知識。

關鍵詞：鐵碳合金相圖 成分 內部組織 性能 分析

金屬材料與熱處理是技工院校機械類專業中的一門專業基礎課，通過對這門課的學習，可以幫助學生理解材料的成分、內部組織、熱處理工藝與性能之間的關系；掌握它們的內在規律；了解通過控制金屬材料的成分和冷、熱加工工藝過程來控制其組織，提高材料性能，或獲得具有某種特殊性能的新材料知識。最終達到培養學生正確選擇和合理使用材料，掌握熱處理工藝規范等多方面的能力。

學校五年制數控、模具、焊接等機械專業高技班選用的是中國勞動社會保障出版社的全國高等職業技術院校機械類專業通用教材《金屬材料與熱處理》第五版，其中第三章第三節是鐵碳合金相圖。鐵碳合金相圖建立、識讀和應用是第三章的難點，也是重點，如果沒有掌握好，那么學生對本章節及其他章節某些知識只會一知半解。金屬材料中鋼和鑄鐵是工業中應用最廣的鐵碳合金，要掌握各種鋼和鑄鐵的組織性能特點及熱處理原理，首先必須了解鐵碳合金的成分、組織與性能之間的相互關系，鐵碳合金相圖就是研究鐵碳合金的組織與性能關系的重要工具。它為鐵碳合金的選材提供理論依據，同時又是制定鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工工藝的重要依據之一。所以這部分知識是這門課程整個教學內容的重點，它起到一個承前啟后、提綱挈領的作用，在整個知識體系中占有重要的地位。

鐵碳合金相圖是難點，筆者在教學中發現，由于這部分知識的內容較為抽象，又沒有具體實驗和教具可以演示，加上技校的學生缺少實踐方面的認識，教和學都存在一定的難度。筆者嘗試將其進行分解，然后采用各個擊破、集體記憶等方法，效果不錯，也希望以此能與各位同行共同切磋。

一、三步設疑導入

對于非金屬材料與熱處理專業的學生只需要掌握簡化后的Fe-Fe3C相圖，即教材39頁圖3-19。它看起來真像一張縱橫交錯的漁網。如果我們在進入該內容之前沒有很好地引導而直接進入的話，學生多半會被表面的“復雜假象”所“網”住，求知的步履就會受到阻絆。

通過三步設疑引導：

第一，金屬材料應用廣泛，而碳鋼和鑄鐵更是工業上最廣泛、最重要的金屬材料。不同成分的鐵碳合金性能不一樣，如車間里接觸到的45鋼和灰鑄鐵。相同成分的鐵碳合金經過不同的熱處理性能也不一樣，想知道為什么嗎？學完鐵碳相圖就能知分曉。

第二，向學生強調Fe-Fe3C相圖的重要——Fe-Fe3C相圖是理解和應用金屬材料的重點知識的必備工具，是這門課的重點。每位同學均須“不擇手段”牢記它。

第三，不要被它的復雜假象所嚇倒，我們有對付它的方法——分而擊之。

二、鐵碳相圖組成簡介——合金相圖的三要素

制造刀具的刃具鋼、制造模具的模具鋼、制造量具的量具鋼、制造機床的鑄鐵……包括蘇通大橋的斜拉繩鋼材等等種類繁多。許許多多鐵碳合金各自在自己的“崗位”上體現出不同的性能，發揮著不同的作用。那么煉鋼廠的師傅們是如何“變化”出這些種類不同的“神奇鋼鐵俠”呢？各種各樣鋼鐵材料為什么性能不同呢？它們的性能可以控制嗎？可以改變嗎？

其實只要（主要）控制好兩個因素：碳的含量及溫度，就可以完成上面的任務。通過碳的含量變化就可以得到不同種類的鋼鐵；相同種類的鋼材改變溫度就能改變鋼材性能。這樣鐵碳合金相圖的三要素——鐵碳合金成分、性能（組織）和溫度三者出來了。體現在圖中就是以橫坐標表示碳含量的變化，以縱坐標表示溫度的變化，相關曲線圍成的區域以符號表示組織的變化（圖1）。基本因素是材料成分及溫度條件的變化，即使是同一種鋼材，經不同溫度的處理方法（熱處理），也會產生不同的材料特性。

三、感性記憶，直觀繪制相圖框架

在展開講解前我們需要直觀地動畫繪制框架圖（圖2）。

一是畫矩形標兩個決定性要素（包括名稱、單位、范圍）即橫坐標（表示碳含量的變化）：Fe、Fe3C、C/%、0、6.69；縱坐標（表示溫度的變化）T/℃

二是畫主要線，“兩條水平直線（PSK，ECF），兩對翅膀（AE、AC對 CD， GS對SE ）”?？身槺闾嵋幌聻槭裁碈D是點畫線。

三是標注S、E、C三點的含碳量，標注A、G、D三點的溫度。有選擇地介紹特性點的含義：①兩熔點A、D，②共晶點C、共析點S，③同素異構轉變點G，④碳在γ-Fe中最大溶解度點E。

四、填寫組織，輸入鐵碳相圖的“血肉”

方法：首先通過講解兩大轉變理解地填寫各區域組織。

上半部分——共晶轉變（包括亞共晶轉變和過共晶轉變）。

下半部分——共析轉變（包括亞共析轉變和過共析轉變）。

然后通過介紹鐵碳相圖中的特性線：ACD線、AECF線、ECF線，PSK線（A1線），GS線（A3線），ES線（ACM線）等的含義鞏固記憶各區域組織（圖3）。

五、雙向看圖，學會識圖

對不同種類的鐵碳合金在圖上的分布區域，可記“左鐵中鋼右鑄鐵”等。識讀分析鐵碳合金相圖抓住兩個方向：縱向——鐵碳合金組織隨溫度變化而發生轉變；橫向——鐵碳合金組織隨成分變化而變化（重點掌握室溫）。這是識讀鐵碳合金相圖的方法，也是不同成分的鐵碳合金性能不一樣，相同成分的鐵碳合金經過不同的熱處理性能也不一樣的本質原因所在。

六、集體記憶：自主學習中收獲全部所學

最后為了檢驗學生理解記憶相圖情況，還可以借鑒考慮用一種集體記憶的方法。全班按照自然組分四組參與，分別選派二位選手，分二批上黑板默寫相圖。要求：第一位畫出圖形框架，第二位完成各區域組織的填寫。選手不能重復上臺，完成任務后全班共同評議。最好最快的學生得10分，其他依次為8分、6分、4分，前一步驟未完成的學生可以請本組其他同學幫忙，但是不得分，最后總結評比。

這是一種寓教于樂的教學方法，學生對這樣的方式會保持較高的熱情，他們會在游戲中保持高度的注意力，每個人都會為自己、為全組同學努力，從而掌握并牢記住相圖。

（作者單位：南通工貿技師學院）