抓住“三种转变”学好简明Fe-Fe3C相图

2010-10-30山东毕静波

职业技术 2010年2期

山东毕静波

山东毕静波

《工程材料》是机电类专业的基础必修课，简明Fe-Fe3C相图是重点与难点，其特点可以概括为“五多”，即“组织相多”、“概念多”、“特性点多”、“特性线多”、“相区多”。因此，教师难教，学生难学。笔者在教学实践中总结出“抓住三种转变，学好简明Fe-Fe3C相图”的教学方法，可以删繁就简，抓住重点，解决难点。

“五多”同素异构转变；共晶转变；共析转变

1 先谈“五多”

（1）“组织相多”即基本相有液相、铁素体、奥氏体、渗碳体，组织有珠光体、莱氏体，与组织相相对应的符号分别为 L、F、A、Fe3C、P、Ld。

（2）“概念多”与组织相相对应的分别为液相L，是铁碳内合金在熔化温度以上形成的均匀液体；铁素体F，指碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体体；奥氏体A，指碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体；渗碳体Fe3C，是一种复杂晶体结构的金属化合物，是铁碳合金中主要的强化相；珠光体P，是共析转变的产物，是铁素体F与渗碳体Fe3C组成的机械混合物；莱氏体Ld，是共晶转变的产物，是奥氏体A与渗碳体Fe3C组成的机械混合物。

（3）“特性点多”，如表1所示。

（4）“特性线多”，如表2所示。

（5）“相区多”，如表 3 所示。

表3 简明Fe-Fe3C相图相区

2 “抓住三种转变”

表1 简明Fe-Fe3C相图主要特性点

所谓“抓住三种转变”，即抓住简明Fe-Fe3C相图中包含的纯铁的同素异构转变、共晶转变、共析转变。

（1）首先谈纯铁的同素异构转变，自然界中大多数金属结晶后晶格类型都不再变化，但少数金属，如铁、锰、钴等，结晶后随着温度或压力的变化，晶格会有所不同，金属这种在固态下晶格类型随温度（或压力）变化的特性为同素异构转变。如图1所示。纯铁的同素异构转变可概括如下：

α-Fe和δ-Fe都是体心立方晶格，γ-Fe为面心立方晶格。纯铁具有同素异构转变的特征，是钢铁材料能够通过热处理改善性能的重要依据。纯铁在发生同素异构转变时，由于晶格结构变化，体积也随之改变，这是加工过程中产生内应力的主要原因。那么，只有在此基础上，我们才可以讲述在铁碳合金中，由于铁和碳的交互作用，可形成下列五种基本组织：

铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体（Fe3C）、珠光体（P）、莱氏体（Ld）及其概念。

表2 简明Fe-Fe3C相图主要特性线

图1 纯铁的同素异构转变

（2）然后，谈共晶转变。共晶转变是在一定的温度下，从一定成分的液相合金中同时结晶出两种成分和结构皆不相同的固相的反应，这时三相共存，可用公式L←→α＋β表示。对于铁碳相图而言含碳量为2.11%--6.69%的铁碳合金，在1148℃的恒温下发生共晶反应,产物是奥氏体(固态)和渗碳体(固态)的机械混合物，称为“莱氏体”。有共晶反应 L4.3←→A2.11+Fe3C

（3）最后，谈共析转变。共析转变是由一种固相转变成两种固相的固/固转变叫做共析转变。因为两种新析出的固相成分互补后等于原始固相，新相析出过程中需要相偕共同析出，所以称为共析转变，可以用公γ←→α＋β表示。对于铁碳相图而言含碳量为0.0218%--6.69%的铁碳合金，在727℃的恒温下发生共析反应,产物是铁素体(固态)和渗碳体(固态)的机械混合物，称为“珠光体”。有共析反应A0.77←→F0.0218+Fe3C。共晶转变与共析转变的相图特征十分相似，区别仅在于共析转变的反应相是固相而非液相。

在Fe-Fe3C相图中，可以把ECF和PSK两条水平线比作两个海平面，把ACD和GSE线比作在海平面上飞翔的两只海鸥，因而整个图形可视为“两只海鸥首尾相连”，如图2所示。后连接AE线，至此构成了Fe—Fe3C相图的主要部分。这样学生听起来既有兴趣，也容易记忆，便于学生的掌握。