《鐵碳相圖》的教學方法探討與實踐

王　勇，顧　鋒，姜　寧，周小青

（南通職業大學機械工程學院，江蘇 南通226000）

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《鐵碳相圖》的教學方法探討與實踐

王勇，顧鋒，姜寧，周小青

（南通職業大學機械工程學院，江蘇 南通226000）

摘要：鐵碳相圖對于鋼鐵材料的應用和熱處理工藝的制訂有十分重要的意義，也是《金屬工藝學》等課程教學的重點內容。本文從課堂教學實踐出發，對這部分的內容進行了總結和提煉，提煉出相圖的六個成分點和六個溫度點，以點連線容易得到簡化版的鐵碳相圖。同時在教學中引入了課堂討論和課后計算來辨明概念加深理解。最后特別強調鐵碳相圖的應用及其局限性。

關鍵詞：鐵碳相圖；金屬；教學

1　鐵碳相圖在課堂教學中的重要性

鋼鐵是國民經濟的重要支柱，是工業上應用最多，用途最廣的金屬材料，它們都是鐵碳合金，而鐵碳合金相圖則是鋼和鑄鐵的重要理論基礎，用Fe-Fe3C相圖對典型成分的鐵碳合金結晶過程進行分析，可進一步掌握鐵碳合金成分—組織—性能之間的關系，進行合理的選材以及制定熱處理、冷熱加工工藝[1]。

毋庸置疑，鐵碳相圖是《金屬工藝學》等金屬材料相關課程的重點內容之一，它既是常用二元相圖的一個典型實例，也是后續碳鋼、鑄鐵和熱處理的基礎，是每個學生都必須掌握的基本內容[2-3]。

然而，鐵碳相圖卻是教學中的一個難點，授課老師如何教才能讓學生更容易接受，學生如何學才能更好的消化和掌握，破解“教師難教，學生難學”的問題。因此，在教學中進行精心的設計和設置課內討論是完全有必要的。本文就是針對這樣的情況，總結筆者在教學中的思考與探索，與同行切磋探討。

2　課堂教學方法探索

2.1鐵碳相圖的繪制要點

（1）.純鐵的同素異構轉變特性是鋼可以熱處理的前提條件

根據純鐵可以發生同素異構轉變的特點，即隨著溫度的降低，純鐵從液相（純鐵的熔點1538℃）開始依次發生L-δ-γ-α的相的轉變，其中γ-Fe與α-Fe的相互轉變（912℃）是工程類學生需要掌握的重點。

在教學中對于這部分內容，可以做兩個拓展：

拓展1：與學生共同來回顧γ-Fe和α-Fe的晶體結構類型和特點，如致密度等概念；

拓展2：設下一個伏筆，給學生一個期待，那就是為什么純鐵具有同素異構轉變的特點是鋼的熱處理、甚至鑄造、焊接等熱加工工藝（后續教學內容）得以實施的前提條件。

（2）兩種重要的固溶體（鐵素體和奧氏體）

循著剛才的教學思路，帶領學生繼續探索，通過前人的實驗可以發現，γ-Fe和α-Fe這兩種不同的晶體結構中是可以溶解一定量的碳原子（即溶碳量），并且通常是以碳原子躲藏在晶格的間隙這樣的形式而形成間隙固溶體，分別稱之為奧氏體和鐵素體，記作A和F.

當然，這兩種固溶體A和F的溶碳量（或者稱之為溶碳能力）是不同的，并且各自在不同的溫度下其溶碳量也是不同的。見表1.

表1　鐵素體和奧氏體中溶碳量的比較

在教學中對于這部分內容，也可以做如下拓展：拓展3：隨著溫度的降低其溶碳量也降低，溶解在F或A中的碳原子必須從F或A中析出，析出的碳原子它去哪里了？

經過討論和觀察相圖，可以發現，一種重要的析出物是金屬化合物，Fe3C，也稱之為滲碳體，它的碳含量為6.69%，熔點為1227℃.之所以認為滲碳體是重要的析出物，是因為它具有的三高特性（高熔點、高硬度、高脆性），并且通常作為組織的強化相。

需要指出的是，另一種析出物則是石墨。這是弱化相，在“鑄鐵”章節中會有介紹。

（3）兩種重要的轉變（共晶轉變和共析轉變）

鐵碳合金在平衡結晶過程中溫度冷至1148℃，在碳含量為4.3%成分的液相發生共晶反應，共晶反應的產物奧氏體（含碳量2.11%）和滲碳體（含碳量6.69%）的混合物，叫萊氏體。合金冷至727℃，在碳含量為0.77%成分的奧氏體發生共析反應，反應產物是鐵素體（含碳量0.0218%）和滲碳體（含碳量6.69%）的共析混合物，叫珠光體。至此，簡化版的鐵碳相圖的關鍵點全部找到，見下表2.

表2　鐵碳相圖中關鍵點及溫度、含義

這九個關鍵點包含6個成分點，分別是0，0.0218，0.77，2.11，4.3，6.69，以及6個溫度點，分別是1538，1227，1148，912，727，以及0℃，見表3.

表3　鐵碳相圖中提煉出的12個點

從圖1可知，由12個點連成線，即可得到大致的鐵碳相圖。再運用“兩只海鷗首尾相連”[4]的形象比喻，把1148和727℃的水平線比作海平面，很容易畫出“兩只海鷗”，馬上勾勒了鐵碳相圖的主要部分。這樣，學生聽起來既有興趣，也容易記憶，便于學生掌握。

圖1　鐵碳相圖6個成分點和6個溫度點

2.2引導課堂討論，辨明基本概念

經過上述的教學設計，學生不難畫出簡化版的鐵碳相圖。在此基礎上，引導學生進行課堂討論，辨明一些基本概念，也起到溫故知新的作用，在此羅列了以下問題。

（1）什么是相？什么是組織？什么是組織組成物？相和組織的關系？比如室溫時，共析鋼的平衡組織為珠光體，珠光體屬于組織，它的組成物是什么。

（2）什么是a-Fe，r-Fe?它們與鐵素體、奧氏體有什么關系？

（3）什么是杠桿定理，它的應用條件是什么，如何用杠桿定理求組織的相對量。

2.3布置計算題，加深理解

通過布置一些用杠桿定理分析各組織的相對量（重量百分數）的計算題，比如計算含碳量為0.4%、0.8%、1.2%、4.3%和5%的鐵碳合金在室溫時各組織的相對量，了解該合金在不同溫度下的相、組織、及其相對量，建立合金成分-組織-性能之間的關系。

3　課堂教學方法總結

通過在教學中提煉六個成分點和六個溫度點，學生容易畫出鐵碳相圖的網格點，通過聯接一些關鍵點，很容易描繪出鐵碳相圖，同時，應用課堂討論和課后計算的辦法，辨明概念，加深理解，便于學生掌握和應用。

同時，在教學中，還需要強調鐵碳相圖在選材、熱處理工藝等方面的應用，以及其局限性，包括相圖描述的是平衡相，是在十分緩慢的冷卻和加熱條件下建立的，沒有反應時間的作用，在實際生產中，當快冷和快熱時，就不能直接應用上述相圖進行分析，如圖2.

圖2　不同冷卻速度下奧氏體的轉變[6]

參考文獻：

[1]嚴滿清，徐更生，王海燕.《鐵碳合金相圖》的教學探究，安徽電子信息職業技術學院學報2010年第4期第9卷（總第49期），48-50

[2]曹維滌，張 建.鐵碳相圖課堂討論指示書，電視大學，1982，（1）:14-17

[3]楊雁霞.如何使學生掌握鐵碳合金相圖，職業教育研究，2004.8 56

[4]畢靜波.抓住“三種轉變”學好簡明Fe-Fe3C相圖，職業技術，2010.02，39

[5]上海市機械制造工藝研究所主編，金相分析技術，上課科學技術文獻出版社，1987，7.

[6]http://web.utk.edu/~prack/MSE%20300/FeC.pdf.

中圖分類號：G642.0

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0254-03

收稿日期：2016-01-13

基金項目：校精品資源共享課程《機械制造基礎》（項目號JZ10）

作者簡介：王勇（1973-），男，浙江臨海人，工學博士，副教授，研究方向為機械工程。

Study and Practice on Teaching of the Iron-Iron Carbide（Fe-Fe3C）Phase Diagram

WANG Yong，GU Feng，JIANG Ning，ZHOU Xiao-qing
（School of Mechanical Engineering，Nantong Vocational University，Nantong Jiangsu 226007，China）

Abstract:Iron-Iron Carbide（Fe-Fe3C）Phase Diagram is of great significance for the application of iron and steel materials and the development of heat treatment process.It is also the key content of the teaching of the course such as"metal technology".Six components points and six temperature points have been concluded in this paper with the help of the teaching practice，which can be easily used to draw the simplified version of the iron carbon phase diagram.At the same time，the classroom discussion and calculation after class can be help to identify the concept and to understand the diagram.Finally，the application of the iron carbon phase diagram and its limitations were special emphasized.

Key words:iron-iron carbide phase diagram；metal；teaching