金屬材料與熱處理課程教學(xué)中鐵碳合金基本組織與性能的教學(xué)體會

王華江

摘 要：“鐵碳合金基本組織與性能”一節(jié)主要介紹了鐵碳合金基本組織的五個(gè)基本相及其性能特點(diǎn)，在金屬材料與熱處理課程教學(xué)中是非常重要的一節(jié)內(nèi)容，也是一個(gè)難點(diǎn)。如何解決這個(gè)難點(diǎn)，用什么方法教學(xué)，才能使學(xué)生好理解，是需要教師探討的問題。本文通過分析，對解決這一難點(diǎn)提出一些見解和解決方法。

關(guān)鍵詞：鐵碳合金 基本組織 性能 教學(xué)

金屬材料與熱處理是機(jī)械專業(yè)一門十分重要的基礎(chǔ)課，學(xué)生比較難以掌握。對于金屬材料與熱處理課程的教學(xué)和學(xué)習(xí)，大多數(shù)教師和學(xué)生都會倍感頭痛。主要原因有四個(gè)方面：一是這門課程的內(nèi)容相對比較枯燥而抽象，特別是有很多的名詞、概念都是純粹的金屬材料與熱處理行業(yè)中的專業(yè)名詞，大部分學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)生活中很少接觸，會對其感覺比較陌生、比較難以理解；二是多數(shù)學(xué)校的金工實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)設(shè)備不夠完備，不能完全滿足教學(xué)需要，很多課本上的實(shí)驗(yàn)因?qū)嶒?yàn)條件限制無法完成，造成有些內(nèi)容既看不見也摸不著，不易于學(xué)生理解記憶；三是單純的理論教學(xué)難以使學(xué)生對課程內(nèi)容有完整的直觀認(rèn)識，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)、理解和掌握受到限制，對課程的學(xué)習(xí)興趣降低，甚至產(chǎn)生排斥、畏懼、厭學(xué)心理；四是課程主要是研究金屬材料的成分、組織、熱處理，以及金屬材料性能之間的關(guān)系和變化規(guī)律，這實(shí)際是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，僅僅靠單純的理論教學(xué)難以把知識點(diǎn)講透，使教學(xué)和學(xué)習(xí)過程更加困難。

在金屬材料與熱處理課程的知識點(diǎn)中，金屬學(xué)基礎(chǔ)知識是整門課程的基礎(chǔ)，它介紹了金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)及其結(jié)晶過程，鐵碳合金相圖的建立、識讀和應(yīng)用。學(xué)生如果對金屬學(xué)基礎(chǔ)知識掌握得不好，就會對金屬性能的知識一知半解，更無法理解和掌握鋼的熱處理和常用的金屬材料的知識。而“鐵碳合金基本組織與性能”是金屬學(xué)基礎(chǔ)知識課程中非常重要的一節(jié)內(nèi)容。鐵碳合金基本組織與性能的這部分知識點(diǎn)是該課程后續(xù)學(xué)習(xí)其他許多知識章節(jié)的基礎(chǔ)，是分析鐵碳合金組織、判斷其性能的重要依據(jù)，特別是對鐵碳合金相圖的分析也是非常重要的知識點(diǎn)。同時(shí)，由于鐵碳合金基本組織涉及的理論較抽象，新概念、新名詞比較多，無論是教還是學(xué)，師生都感到有相當(dāng)?shù)碾y度。結(jié)合平時(shí)上課的經(jīng)驗(yàn)和課下與教研室多位老師的探討，對于這個(gè)知識點(diǎn)教學(xué)方法進(jìn)行了如下分析。

一、認(rèn)識鐵碳合金的基本組織

一般在教學(xué)中，教師往往會按教材編寫的順序，直接從鐵碳合金的基本組織的各個(gè)定義開始講。由于全都是剛剛接觸到的新名詞，學(xué)生會感覺較抽象、難理解，往往就像掉進(jìn)了“迷魂陣”，教學(xué)效果可想而知。想要解決這一問題，不妨先讓學(xué)生去了解鐵碳合金基本組織的“形狀”?？上葘㈣F碳合金的組織圖掛在黑板上，像制圖教師講解零件圖那樣來介紹組織圖，對每個(gè)基本組織的定義形象地進(jìn)行講解。例如，因?yàn)榧冭F在固態(tài)下具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特性，即在一定條件下，能轉(zhuǎn)變成“α-Fe”和“γ-Fe”兩種晶格，根據(jù)這兩種晶格對碳元素的溶解能力不同，形成了兩種固溶體，分別叫作鐵素體和奧氏體，它們是鐵碳合金五個(gè)基本組織中的兩個(gè)。這樣解釋，復(fù)雜的、抽象的概念被簡單化，學(xué)生的思路就會很清晰，很容易理解和掌握知識，并收到良好的教學(xué)效果。在這個(gè)環(huán)節(jié)的講解中要注意與前面講的“合金及其組織”緊密銜接，這就要求學(xué)生對前面的知識應(yīng)熟練掌握，可以通過課前復(fù)習(xí)和教師提問來達(dá)到教學(xué)目的。

講解過程中，教師可以把鐵碳合金的五種基本組織進(jìn)行分類。鐵素體、奧氏體都是單相組織，滲碳體是金屬化合物，也是單相組織，所以把鐵素體、奧氏體、滲碳體這三種相稱之為鐵碳合金的基本相，通俗地講，就是基本的組成單元。珠光體和萊氏體是有基本相組成的多相組織，其中珠光體是鐵素體和滲碳體的混合物，萊氏體是奧氏體和滲碳體的混合物，也就是說，珠光體和萊氏體分別都是由鐵素體、奧氏體、滲碳體這三種基本相中的兩個(gè)基本相分別相混合而組成的混合物。以往講解到這一部分時(shí)，學(xué)生往往會因?yàn)槊~比較抽象而難以理解，這時(shí)采用像數(shù)學(xué)老師講“加法”一樣的方法來進(jìn)行講解，可把珠光體和萊氏體的形成過程看作“鐵素體+滲碳體=珠光體”和“奧氏體+滲碳體=萊氏體”這兩個(gè)簡單數(shù)學(xué)運(yùn)算式子。

其中，奧氏體存在于727℃以上，屬于高溫組織，無室溫組織，萊氏體中的奧氏體在室溫下會轉(zhuǎn)變成珠光體。所以，室溫下的萊氏體實(shí)際是由珠光體和滲碳體組成的，即可看作“鐵素體+滲碳體=珠光體”和“奧氏體+滲碳體=珠光體+滲碳體=萊氏體”。

通過用這樣一些簡單的“加法”式子，使比較抽象的名詞聚會，變成一個(gè)極其簡單且直觀的數(shù)學(xué)運(yùn)算，使學(xué)生很容易就理解了鐵碳合金的五種基本組織的基本相之間的相互關(guān)系，并很容易就掌握了鐵碳合金的基本組織。當(dāng)然，珠光體、萊氏體的形成過程是一個(gè)時(shí)間過程中的組織變化的過程，這一點(diǎn)應(yīng)對學(xué)生講解清楚。

二、理解鐵碳合金的基本組織的性能

含碳量影響鐵碳合金的性能，含碳量越多鐵碳合金的強(qiáng)度、硬度越高，而塑性、韌性則降低。鐵碳合金的基本組織鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體由于其各自基體中的含碳量不同，其力學(xué)性能自然就不一樣，組織之間會隨溫度改變而發(fā)生相互之間的轉(zhuǎn)變。講解鐵碳合金的基本組織的性能時(shí)，首先要先給學(xué)生講清楚鐵素體、奧氏體、滲碳體這三種單相基本相的性能。鐵素體是體心立方晶格，晶格間隙小溶碳能力差，故含碳量少，具有良好的塑性、韌性，較低的強(qiáng)度、硬度；奧氏體是面心立方晶格，晶格間隙較大，溶碳能力強(qiáng)，故奧氏體含碳量適中，所以具有一定的強(qiáng)度、硬度，但卻不高，具有良好的塑性，尤其具有良好的鍛壓性能。而滲碳體是含碳量6.69%的鐵與碳的金屬化合物，具有金屬化合物的特征，它有復(fù)雜的斜方晶格，具有高含碳量，所以具有高熔點(diǎn)，高硬度，塑性和韌性幾乎為零，脆性極大的特點(diǎn)。剩下的珠光體和萊氏體都屬于混合物，它們的性能特點(diǎn)是由各自的構(gòu)成相的性能來決定的。對于珠光體來說它是鐵素體和滲碳體的混合物，而萊氏體則是奧氏體和滲碳體的混合物，所以仍然可以用“加法”的原則來給學(xué)生講述。對于珠光體來說，“鐵素體（單相，所占比例較大）+滲碳體（單相，所占比例較?。?珠光體（混合物）”可以換算成“（良好的塑性、韌性，較低的強(qiáng)度、硬度）+（高熔點(diǎn)，高硬度，塑性和韌性幾乎為零，脆性極大）=（強(qiáng)度較高，硬度適中，有一定的塑性，具有較好的綜合力學(xué)性能）=珠光體的性能”，這里把珠光體的性能看成鐵素體與滲碳體各自性能的綜合。萊氏體的性能可以看成是“奧氏體（所占比例小）+滲碳體（基體所占比例較大）=萊氏體（混合物）”，可以換算成“（含碳量適中，具有一定但不高的強(qiáng)度、硬度，具有良好的塑性，尤其具有良好的鍛壓性能）+（高熔點(diǎn)，高硬度，塑性和韌性幾乎為零，脆性極大）=（具有很高的硬度，而塑性、韌性極差的性能）=萊氏體的性能”。這里把萊氏體的性能看成奧氏體和滲碳體各自性能的綜合，因?yàn)閵W氏體在室溫下會轉(zhuǎn)變成珠光體，且在其中所占的比例較小，滲碳體是基體組織且所占的比例較大，故萊氏體具有接近于滲碳體的性能特點(diǎn)，即具有很高的硬度，而塑性、韌性極差。

三、運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)及多媒體輔助教學(xué)，提高課堂教學(xué)效率

隨著現(xiàn)代教學(xué)手段的發(fā)展，特別是網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)教學(xué)模式的發(fā)展，教學(xué)手段越來越豐富，教師可以利用網(wǎng)絡(luò)、多媒體、云課堂、微課堂等多種先進(jìn)教學(xué)手段，來彌補(bǔ)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)條件不足的困窘。對于各種鐵碳合金的基本組織與性能這部分知識的教學(xué)，可利用計(jì)算機(jī)教學(xué)軟件制作一些鐵碳合金基本組織的三維視圖、動(dòng)畫、微課等，直接模擬顯示出其組織形態(tài)、晶格特征，通過控制演示過程，將一些難以想象和描繪的形成過程用直觀的演示顯現(xiàn)出來，促進(jìn)了學(xué)生的理解，強(qiáng)化了學(xué)生的記憶。采用動(dòng)畫進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示和微課堂輔助教學(xué)等多媒體教學(xué)方法，可以使教學(xué)中對知識點(diǎn)的講解深入淺出，使復(fù)雜的問題簡單化，使深?yuàn)W的道理淺顯化，使枯燥的內(nèi)容變得生動(dòng)形象，讓學(xué)生們在學(xué)習(xí)的過程中有一種身臨其境的感覺，更能夠加深學(xué)生對問題的直觀理解，從而使學(xué)生對鐵碳合金的基本組織及其性能特征在視覺上有一個(gè)感性的認(rèn)識。這種教學(xué)方法比較直觀，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有助于對問題的理解，并且教學(xué)成本也不高，起到了較好的輔助教學(xué)的效果，極具教學(xué)的廣泛性和實(shí)用性，深受學(xué)生歡迎。

經(jīng)過長時(shí)間的教學(xué)實(shí)踐證明，利用以上教學(xué)方法開展對鐵碳合金的基本組織及性能這一知識點(diǎn)的教學(xué)，使抽象的難以理解的金工專業(yè)名詞，變成了易懂、易理解的數(shù)學(xué)加法運(yùn)算；其中聲、像、文、圖并茂的教學(xué)信息，使學(xué)生學(xué)習(xí)起來容易；教學(xué)中運(yùn)用的一些小竅門，使學(xué)生能快速記憶。因此，為了達(dá)到良好的教學(xué)效果，教師應(yīng)在有限的條件下不斷努力創(chuàng)新，通過多層次的教學(xué)設(shè)計(jì)，以多種新奇的教學(xué)方法來吸引學(xué)生對這門課程進(jìn)行探究，將課本上的概念轉(zhuǎn)化為生活中的常識，激發(fā)學(xué)生對這門課的學(xué)習(xí)興趣，做到興趣教學(xué)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，寓教于樂，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中找到樂趣，從而將金屬材料與熱處理這門課程學(xué)好。

（作者單位：山東省臨沂市技師學(xué)院）