鐵碳相圖在金屬學(xué)與熱處理課程中的地位

劉慧敏 張瑞英 許 萍 劉軍

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 內(nèi)蒙古呼和浩特 010051

實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課程建設(shè)

鐵碳相圖在金屬學(xué)與熱處理課程中的地位

劉慧敏 張瑞英 許 萍 劉軍

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 內(nèi)蒙古呼和浩特 010051

為加強(qiáng)學(xué)生對(duì)金屬學(xué)與熱處理課程整體內(nèi)容的理解和掌握，以鐵碳相圖為例，由相圖橫坐標(biāo)(組元)引出“純金屬→合金”的材料體系的變化；從相圖縱坐標(biāo)(溫度)的變化，引出“高溫→室溫(凝固/結(jié)晶)→高溫(保溫)→室溫(熱處理)”的相變規(guī)律。引入平面幾何中的“點(diǎn)線面”的變化規(guī)律和“量變引起質(zhì)變”的哲學(xué)思想，理解鐵碳相圖的形成規(guī)律，找到了材料科學(xué)與數(shù)學(xué)及哲學(xué)之間的交叉點(diǎn)，為學(xué)習(xí)金屬學(xué)與熱處理課程全部?jī)?nèi)容，提供一條簡(jiǎn)單而有效的歸納方法。

鐵碳相圖；鐵碳合金；金屬學(xué)；熱處理

鐵碳合金是金屬學(xué)與熱處理課程的一章內(nèi)容，而鐵碳相圖是學(xué)習(xí)鐵碳合金的重點(diǎn)內(nèi)容。對(duì)于不同層次的學(xué)生，不同學(xué)校選用的教材及對(duì)應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容有所不同[1-5]。本文針對(duì)一些地方院校的本科生所使用的教材[6]，結(jié)合多年的教學(xué)過(guò)程，分析鐵碳相圖與金屬學(xué)與熱處理課程之間的關(guān)系，旨在突出鐵碳相圖在金屬學(xué)與熱處理課程中的地位，增強(qiáng)金屬學(xué)與熱處理課程知識(shí)的系統(tǒng)性。

1 純Fe及Fe-C相圖的形成

純鐵在固態(tài)下具有兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(A4轉(zhuǎn)變和A3轉(zhuǎn)變)和一次磁性轉(zhuǎn)變(A2轉(zhuǎn)變)。A4轉(zhuǎn)變和A3轉(zhuǎn)變屬于一級(jí)相變，新相的形核往往在晶界等缺陷處，所以相變前晶界越多、最后形成的晶粒越細(xì)小。可理解為純Fe自身就有固態(tài)下的兩次細(xì)化過(guò)程。加上A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的凝固(結(jié)晶)轉(zhuǎn)變，共有3次形核及其長(zhǎng)大過(guò)程。如圖1純Fe及Fe3C的冷卻曲線相變點(diǎn)示意圖所示。

A轉(zhuǎn)變：L-Fe←→δ-Fe，熔點(diǎn)：1 538 ℃，固態(tài)←→液態(tài)

A4轉(zhuǎn)變：δ-Fe←→γ-Fe，A4點(diǎn)：1 394 ℃，BCC←→FCC

A3轉(zhuǎn)變：γ-Fe←→α-Fe，A3點(diǎn)：912 ℃，F(xiàn)CC←→BCC

圖1 純Fe及Fe3C的冷卻曲線相變點(diǎn)示意圖

眾所周知，細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)材料來(lái)講是最完美的強(qiáng)化方法，既能提高強(qiáng)度、硬度，又能少量提高塑性和韌性。如果在純鐵的凝固過(guò)程中采取變質(zhì)處理等細(xì)化晶粒的措施，待其溫度降到室溫時(shí)，共有3次細(xì)晶強(qiáng)化效果出現(xiàn)。純鐵中加入少量的碳，形成固溶體后，依然保持溶劑(純鐵)的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特征，構(gòu)成了多形性轉(zhuǎn)變。所以，鐵碳合金在凝固及后續(xù)的冷卻過(guò)程中依然具有與純鐵相似的細(xì)晶強(qiáng)化過(guò)程，從而具有優(yōu)質(zhì)的力學(xué)性能，成為用途最廣泛的結(jié)構(gòu)材料。

由圖2 Fe–C雙重相圖可知，還有兩個(gè)(A2和A0)磁性轉(zhuǎn)變：

A2轉(zhuǎn)變：α-Fe的磁性轉(zhuǎn)變，順磁性(高溫)←→鐵磁性(低溫)，A2點(diǎn)(居里點(diǎn)溫度)：770 ℃。

A0轉(zhuǎn)變：Fe3C的磁性轉(zhuǎn)變，順磁性(高溫)←→鐵磁性(低溫)，A0點(diǎn)(居里點(diǎn)溫度)：230 ℃。

磁性轉(zhuǎn)變前后沒(méi)有體積和熵值的突變，即沒(méi)有晶體結(jié)構(gòu)的變化，屬于二級(jí)相變。這一特點(diǎn)使得鐵碳合金作為磁性材料已經(jīng)成為功能材料家族的一個(gè)重要的組成部分。所以，鐵碳合金具有雙重身份，既是結(jié)構(gòu)材料又是功能材料。

同理，A2和A0點(diǎn)鐵碳相圖(如圖2所示)中也分別形成的一條磁性轉(zhuǎn)變線，對(duì)應(yīng)770℃和230℃的兩條虛線。前者是鐵素體(α相)的、后者是Fe3C的磁性轉(zhuǎn)變線。表明對(duì)應(yīng)的合金也具有磁性轉(zhuǎn)變特征。Fe3C是溶質(zhì)含量超過(guò)極限后形成的金屬間化合物，有趣的是，不僅由α-Fe和碳形成的固溶體(鐵素體)具有鐵磁性，而且由純Fe和C形成的金屬間化合物Fe3C也具有鐵磁性，只是二者的居里點(diǎn)溫度不同而已，前者的居里點(diǎn)溫度與α-Fe的居里點(diǎn)溫度相同(均為A2點(diǎn))。

圖2 Fe–C雙重相圖

正因?yàn)榧兘饘貴e及Fe3C具有這些轉(zhuǎn)變特征，在鐵碳相圖的左側(cè)縱坐標(biāo)軸上形成的A0，A2，A3，A4，A這5個(gè)特征點(diǎn)，并構(gòu)成鐵碳相圖中相變線的起始點(diǎn)。由此可知，材料體系由純金屬Fe變?yōu)镕e-C二元合金時(shí)，由上述特征點(diǎn)引出相圖中的多個(gè)線條，而這些線條圍成的不同封閉區(qū)域構(gòu)成不同的相區(qū)，而不同的相區(qū)意味著合金不同的晶體結(jié)構(gòu)狀態(tài)，而合金不同的晶體結(jié)構(gòu)狀態(tài)體現(xiàn)出不同的性能特點(diǎn)。鐵碳相圖與其他的二元合金相圖相比，相圖中的線條多，相區(qū)多，就是因?yàn)殍F碳合金的基體純鐵本身的相變點(diǎn)(起點(diǎn))多。相圖的相區(qū)多，對(duì)應(yīng)的材料的狀態(tài)多，材料具有相對(duì)豐富的內(nèi)涵(性能的多樣性)，使其適應(yīng)不同加工工藝要求和服役(使用)要求。

2 對(duì)鐵碳相圖不同角度的理解

2.1 從幾何數(shù)學(xué)的角度理解鐵碳相圖

相圖左側(cè)的縱坐標(biāo)表示100%的純金屬Fe，這條直線由多個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，其中如上所述有幾個(gè)點(diǎn)(相變點(diǎn))值得關(guān)注。當(dāng)純金屬Fe中加入一定量的C(即合金化后)成為Fe-C合金的過(guò)程，若用幾何數(shù)學(xué)的語(yǔ)言描述，可以理解為，當(dāng)一維坐標(biāo)軸變?yōu)槎S坐標(biāo)系時(shí)，點(diǎn)成為線，相變點(diǎn)變成相變線。就因?yàn)橛辛诉@幾個(gè)相變點(diǎn)，才形成了對(duì)應(yīng)的相變線，有了這些相變線，才把相圖(二維平面區(qū)域)劃分成不同的相區(qū)，使得材料的存在形式多樣化，對(duì)應(yīng)的組織與性能更加豐富多樣，更容易多方位滿足工藝和使用要求。遺憾的是很多常用金屬(如鋁、銅、鎂等)不具備這樣的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變/多形性轉(zhuǎn)變特點(diǎn)，所以它們的二元合金相圖構(gòu)不成很多相區(qū)，顯得很單調(diào)。

2.2 從哲學(xué)角度理解鐵碳相圖

溶解度(固溶度)曲線就能體現(xiàn)“量變引起質(zhì)變”的哲學(xué)思想。合金元素C溶于Fe基體中的量是有限的，并且在不同的溫度區(qū)間，溶解度也是不同的。因?yàn)樵诓煌臏囟葏^(qū)間，F(xiàn)e基體的晶體結(jié)構(gòu)不同，它們的間隙數(shù)量、間隙半徑和分布不同，能夠溶納C原子的能力不同(如圖2所示)。δ-Fe和α-Fe的溶解度很小，分別為0.09%和0.0218%，而γ-Fe的溶解度較大(2.11%)。一般來(lái)講，合金元素C進(jìn)入基體后，首先溶于基體晶格中，形成固溶體，如果含碳量超過(guò)對(duì)應(yīng)的溶解度，則要發(fā)生相變，形成新相，也即量變引起了質(zhì)變。由于溶解度與溫度有關(guān)，因此固溶和脫溶也是隨溫度上升和降低而進(jìn)行的可逆過(guò)程，期間伴隨晶界和晶內(nèi)濃度的平衡和非平衡狀態(tài)相互交替出現(xiàn)，所以也可理解為一對(duì)辯證的過(guò)程。

2.3 從材料科學(xué)的角度理解鐵碳相圖

相圖是以溫度成分作為坐標(biāo)系描述材料所處狀態(tài)的圖解，也是研究材料科學(xué)的一個(gè)參考工具。在相圖中給出一個(gè)合金狀態(tài)(表象點(diǎn))，就應(yīng)該得知其所處溫度及成分，反之亦然。材料的狀態(tài)是連續(xù)變化的，相圖中的線條也是連續(xù)的、不能中斷于相區(qū)內(nèi)部，而且這些線條是不同相區(qū)的分界線。事實(shí)上，鐵碳相圖就是由包晶轉(zhuǎn)變、共晶轉(zhuǎn)變和共析轉(zhuǎn)變?nèi)N轉(zhuǎn)變(反應(yīng)過(guò)程)有機(jī)結(jié)合而形成的。在已知的二元相圖中，F(xiàn)e-C相圖的線條比較多，尤其是固相線以下的線條非常多，表明材料的固態(tài)相變多，即可熱處理強(qiáng)化，由此也引出來(lái)鋼的熱處理知識(shí)。

圖3為鐵碳相圖與金屬學(xué)與熱處理的分解圖。由圖可知，鐵碳相圖以圖解的簡(jiǎn)單形式，能夠基本覆蓋金屬學(xué)與熱處理課程的全部?jī)?nèi)容，體現(xiàn)出鐵碳相圖在金屬學(xué)與熱處理課程中的重要地位和作用。最突出的特點(diǎn)是能夠把金屬學(xué)與熱處理兩大部分有機(jī)地銜接起來(lái)，具有承上啟下的作用；此外，由鐵碳相圖引出的鐵碳合金(黑色金屬)，分為碳鋼和鑄鐵兩部分，合金化后的碳鋼形成了工業(yè)用鋼，與鑄鐵、有色金屬及合金構(gòu)成了金屬材料體系的重要分支，也是本課程除了金屬學(xué)與熱處理以外，附帶的常用金屬材料的內(nèi)容。

圖3 鐵碳相圖與金屬學(xué)與熱處理的分解圖

如前所述，具有優(yōu)質(zhì)或獨(dú)特的純鐵中加入碳元素而合成的Fe-C合金，比起純金屬Fe基體更具優(yōu)質(zhì)的性能，體現(xiàn)了有條件的“合作有利”現(xiàn)象，其條件就是溶劑(基體)本身的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變及磁性轉(zhuǎn)變特點(diǎn)。Fe-C合金是是由碳鋼和鑄鐵組成，所以也可稱為鋼鐵材料。

碳鋼的塑性變形能力強(qiáng)、塑性好。對(duì)碳鋼進(jìn)行壓力加工時(shí)，一般加熱至單相奧氏體(A)區(qū)(因此在圖3中，由A區(qū)引出了金屬的塑性變形內(nèi)容。原因是單相區(qū)，成分相對(duì)均勻，性能均一，更重要的是A具有FCC結(jié)構(gòu)，不僅滑移系多(4×3=12)，而且滑移方向也多，有利于塑性變形，易獲得所設(shè)計(jì)的形狀和尺寸，顯示出材料的結(jié)構(gòu)影響性能(工藝性能)的基本理論。鋼在高溫區(qū)變軟，加工阻力小，由于上述晶體學(xué)的特點(diǎn)，其成形性也好，加工結(jié)束后的冷卻過(guò)程中，材料本身就自帶兩次固態(tài)相變(細(xì)化過(guò)程)，如果有效地控制冷卻工藝，會(huì)得到更佳效果。冷塑性變形后的工件，或多或少都?xì)埩粢恍?yīng)力，因此有必要進(jìn)行退火，消除殘留應(yīng)力，所以在圖3中由金屬的塑性變形部分引出了回復(fù)與再結(jié)晶的內(nèi)容。

鑄鐵由于其含碳量處于含碳量的較多(2.11%～6.69%)的范圍，由于共晶點(diǎn)及其附近的Fe-C合金具有良好的流動(dòng)性，所以其鑄造工藝能很好，由此將這一成分范圍的鐵碳合金稱為鑄鐵。由于含碳量繼續(xù)增多，則硬而脆的Fe3C的量隨之增多，影響了材料的壓力加工性能。因此，目前使用的鐵碳相圖的橫坐標(biāo)就終止于6.69%，而與其他二元合金相圖(橫坐標(biāo)值均為100%)，少了很多內(nèi)容。如何開(kāi)發(fā)應(yīng)用C%＞6.69%的Fe-C合金、如何克服Fe3C的不足等問(wèn)題可以留給學(xué)生，啟發(fā)他們繼續(xù)思考更加深層的材料科學(xué)的問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

以鐵碳相圖作為金屬學(xué)與熱處理課程的總結(jié)與展開(kāi)工具，不僅能夠深入理解鐵碳相圖本身的含義，對(duì)鋼鐵材料形成較為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，并以鐵碳合金為例，掌握金屬學(xué)與熱處理課程的基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論；為進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他金屬材料及其熱處理知識(shí)，提供一條有效而簡(jiǎn)單的方法。同時(shí)指出鐵碳相圖的不足，有助于啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和方向。

[1] 范莉,于志生.金屬學(xué)與熱處理課程教學(xué)探討[J].內(nèi)蒙古教育:職教版,2013(7):40-41.

[2] 謝文玲,周順勇.歸類法講解鐵碳相圖的點(diǎn)、線和相區(qū)[J].廣州化工,2015,43(21):184-186.

[3] 嚴(yán)滿清,徐更生,王海燕.《鐵碳合金相圖》的教學(xué)探究[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,9(4):48-49.

[4] 徐穎梅.關(guān)于鐵碳合金相圖的教學(xué)淺析[J].時(shí)代教育:教育教學(xué)版,2009(11):93,111.

[5] 黃立城.鐵碳合金相圖教學(xué)中重難點(diǎn)分析及化解[J].職業(yè),2010(14):154-155.

[6] 崔忠圻,覃耀春.金屬學(xué)與熱處理[M].第二版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

Status of Iron-carbon Phase Diagram in the Curriculum of Metallography & Heat Treatment

Liu Huimin, Zhang Ruiying, Xu Ping, Liu Jun
Inner Mongolia University of Technology, Hohhot, 010051, China

In order to enhance the understanding and grasp of students on the whole course content of Metallurgy and Heat Treatment, our study taking iron carbon phase diagram as an example, by the abscissa (component) of the phase diagram educe "pure metal → alloy" material system change; introduce the changing regularity of the "points, lines, surface" in geometry and the philosophy thought that quantitative cause a qualitative change by the ordinate change (temperature) of the phase diagram, i.e. Phase changing regularity of "High temperature → room temperature (coagulation/crystal) →high temperature (heat preservation) →room temperature (heat treatment)", such transformation regularity make us understand the formation regularity of the iron carbon phase diagram and help us find out the intersection between material science ,mathematics and philosophy, afford us a simple and efficient inductive method to study the whole content of the metallography and heat treatment.

iron-carbon phase diagram; iron-carbon alloy; metallography; heat treatment

2016-05-01

劉慧敏，博士，教授。

內(nèi)蒙古自治區(qū)“金屬學(xué)與熱處理”精品課程建設(shè)項(xiàng)目。