金屬材料與熱處理課程教學中鐵碳合金基本組織與性能的教學體會

王華江

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

關鍵詞：鐵碳合金 基本組織 性能 教學

金屬材料與熱處理是機械專業一門十分重要的基礎課，學生比較難以掌握。對于金屬材料與熱處理課程的教學和學習，大多數教師和學生都會倍感頭痛。主要原因有四個方面：一是這門課程的內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中的專業名詞，大部分學生平時學習生活中很少接觸，會對其感覺比較陌生、比較難以理解；二是多數學校的金工實驗室及實驗設備不夠完備，不能完全滿足教學需要，很多課本上的實驗因實驗條件限制無法完成，造成有些內容既看不見也摸不著，不易于學生理解記憶；三是單純的理論教學難以使學生對課程內容有完整的直觀認識，導致學生的學習、理解和掌握受到限制，對課程的學習興趣降低，甚至產生排斥、畏懼、厭學心理；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系和變化規律，這實際是一個動態的過程，僅僅靠單純的理論教學難以把知識點講透，使教學和學習過程更加困難。

在金屬材料與熱處理課程的知識點中，金屬學基礎知識是整門課程的基礎，它介紹了金屬和合金的晶體結構及其結晶過程，鐵碳合金相圖的建立、識讀和應用。學生如果對金屬學基礎知識掌握得不好，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”是金屬學基礎知識課程中非常重要的一節內容。鐵碳合金基本組織與性能的這部分知識點是該課程后續學習其他許多知識章節的基礎，是分析鐵碳合金組織、判斷其性能的重要依據，特別是對鐵碳合金相圖的分析也是非常重要的知識點。同時，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，師生都感到有相當的難度。結合平時上課的經驗和課下與教研室多位老師的探討，對于這個知識點教學方法進行了如下分析。

一、認識鐵碳合金的基本組織

一般在教學中，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定義開始講。由于全都是剛剛接觸到的新名詞，學生會感覺較抽象、難理解，往往就像掉進了“迷魂陣”，教學效果可想而知。想要解決這一問題，不妨先讓學生去了解鐵碳合金基本組織的“形狀”。可先將鐵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，對每個基本組織的定義形象地進行講解。例如，因為純鐵在固態下具有同素異構轉變的特性，即在一定條件下，能轉變成“α-Fe”和“γ-Fe”兩種晶格，根據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基本組織中的兩個。這樣解釋，復雜的、抽象的概念被簡單化，學生的思路就會很清晰，很容易理解和掌握知識，并收到良好的教學效果。在這個環節的講解中要注意與前面講的“合金及其組織”緊密銜接，這就要求學生對前面的知識應熟練掌握，可以通過課前復習和教師提問來達到教學目的。

講解過程中，教師可以把鐵碳合金的五種基本組織進行分類。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，學生往往會因為名詞比較抽象而難以理解，這時采用像數學老師講“加法”一樣的方法來進行講解，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”這兩個簡單數學運算式子。

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變成珠光體。所以，室溫下的萊氏體實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，變成一個極其簡單且直觀的數學運算，使學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系，并很容易就掌握了鐵碳合金的基本組織。當然，珠光體、萊氏體的形成過程是一個時間過程中的組織變化的過程，這一點應對學生講解清楚。

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，其力學性能自然就不一樣，組織之間會隨溫度改變而發生相互之間的轉變。講解鐵碳合金的基本組織的性能時，首先要先給學生講清楚鐵素體、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，較低的強度、硬度；奧氏體是面心立方晶格，晶格間隙較大，溶碳能力強，故奧氏體含碳量適中，所以具有一定的強度、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，它有復雜的斜方晶格，具有高含碳量，所以具有高熔點，高硬度，塑性和韌性幾乎為零，脆性極大的特點。剩下的珠光體和萊氏體都屬于混合物，它們的性能特點是由各自的構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，所占比例較小）=珠光體（混合物）”可以換算成“（良好的塑性、韌性，較低的強度、硬度）+（高熔點，高硬度，塑性和韌性幾乎為零，脆性極大）=（強度較高，硬度適中，有一定的塑性，具有較好的綜合力學性能）=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度、硬度，具有良好的塑性，尤其具有良好的鍛壓性能）+（高熔點，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，因為奧氏體在室溫下會轉變成珠光體，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，即具有很高的硬度，而塑性、韌性極差。

三、運用網絡及多媒體輔助教學，提高課堂教學效率

隨著現代教學手段的發展，特別是網絡、計算機教學模式的發展，教學手段越來越豐富，教師可以利用網絡、多媒體、云課堂、微課堂等多種先進教學手段，來彌補教學中實驗條件不足的困窘。對于各種鐵碳合金的基本組織與性能這部分知識的教學，可利用計算機教學軟件制作一些鐵碳合金基本組織的三維視圖、動畫、微課等，直接模擬顯示出其組織形態、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出來，促進了學生的理解，強化了學生的記憶。采用動畫進行動態演示和微課堂輔助教學等多媒體教學方法，可以使教學中對知識點的講解深入淺出，使復雜的問題簡單化，使深奧的道理淺顯化，使枯燥的內容變得生動形象，讓學生們在學習的過程中有一種身臨其境的感覺，更能夠加深學生對問題的直觀理解，從而使學生對鐵碳合金的基本組織及其性能特征在視覺上有一個感性的認識。這種教學方法比較直觀，可以充分調動學生的學習積極性，有助于對問題的理解，并且教學成本也不高，起到了較好的輔助教學的效果，極具教學的廣泛性和實用性，深受學生歡迎。

經過長時間的教學實踐證明，利用以上教學方法開展對鐵碳合金的基本組織及性能這一知識點的教學，使抽象的難以理解的金工專業名詞，變成了易懂、易理解的數學加法運算；其中聲、像、文、圖并茂的教學信息，使學生學習起來容易；教學中運用的一些小竅門，使學生能快速記憶。因此，為了達到良好的教學效果，教師應在有限的條件下不斷努力創新，通過多層次的教學設計，以多種新奇的教學方法來吸引學生對這門課程進行探究，將課本上的概念轉化為生活中的常識，激發學生對這門課的學習興趣，做到興趣教學，充分調動學生的主觀能動性，寓教于樂，使學生在學習的過程中找到樂趣，從而將金屬材料與熱處理這門課程學好。

（作者單位：山東省臨沂市技師學院）