“铁碳合金相图”的教学思路浅析

2016-10-21白城师范学院机械工程学院

大陆桥视野 2016年16期

王　乐　徐　健　王　蕴/白城师范学院机械工程学院

“铁碳合金相图”的教学思路浅析

王乐徐健王蕴/白城师范学院机械工程学院

铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据，在工业上具有重要的意义。铁碳合金相图是《机械制造基础》这门课程的难点也是重点。它的内容抽象、概念繁杂，学生理解起来非常困难，新接触这门课程的教师在备课过程中也存在一定的困难。本文从铁碳合金相图的记忆口诀出发，深入浅出，最后到相图的应用，清晰呈现了该知识点的脉络。

铁碳合金相图；分析；应用

铁碳合金相图是《机械制造基础》这门课程的难点也是重点。这部分内容抽象、概念繁杂，学生理解起来非常困难，本文从导入新课开始，引起学生思考兴趣，从强调铁碳合金相图的重要性开始，讲授新课，最后应用举例，以达到学生的理解。

一、导入新课

采用回顾旧知识自然引入新课的学习的导入方法。可以这样导入新课“在上一节介绍了铁碳合金的基本知识，知道了碳的质量分数范围和温度及力学性能，那他们之间到底存在什么样的关系呢？”还有，“我们在大一的时候学习过《工程图学》这门课程，在制图的时候，我们总会在标题栏里写下45、HT200的字样，那么这些材料和我们今天要学习的内容有什么联系呢？”通过这样提出问题，引起学生思考兴趣，于是进入了“铁碳合金相图”的教学任务。

二、新课讲授

先强调相图的重要性，然后对其进行分析，最后指出其应用。

（一）通过图1来强调铁碳合金相图的重要性——铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础。是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等的工艺依据。

图1　铁碳合金相图的重要性

（二）对铁碳合金相图进行分析。图2即为铁碳合金相图。分析之前明确铁碳合金相图的概念，重点是熟练掌握铁碳合金相图中的特性点、特性线的含义及铁碳合金的分类。

图2　铁碳合金相图

图3　简化的三种相图

在复杂的铁碳合金相图组成面前，学生需要记住关于相图的口诀“温度成分建坐标，铁碳二元要记牢；两平三垂标特点，九星闪烁五弧交；共晶共析液固线，十二里面组织标，基本组织先标好，相间组织共逍遥，分析成分断组织，铸锻处理离不了[1]。”根据容易记忆的口诀来对照相图的各个点、线和区域，才能使学生真正的理解铁碳合金相图的意义。把相图用三个转变、九个特性点、九条相变线和十五个相区来总结，然后对相图进行分析。

1、三个转变

图2非常复杂，学生看这个图容易厌倦，所以可以把相图简化为图3，清晰明了，即是三个相的转变。第一个转变是包晶转变。在B点（C％=0.53％，液态，t=1495℃），液相与高温铁素体相互作用生成奥氏体。第二个转变是共晶转变。在图中的C点（C％=4.3％，液态，t=1148℃），同时转变为奥氏体A和渗碳体（Fe，C）的混合物，即莱氏体。第三个是共析转变。铁碳合金相图中，奥氏体A点在727℃时，即S点，同时转变为铁素体(F)和渗碳体(Fe，C)的混合物，即珠光体P。

2、九个特性点

相图中有纯铁熔点、同素异构转变点、共晶点、共析点、包晶点等9个主要的特性点，特性点的代号、温度及碳含量和含义如表1（仅列其中三个）。

表1　铁碳相图中的主要点的含义

3、九条相变线

相图中有液相线、固相线、共晶线、共析线等九条相变线。其代号及含义如表2（仅列其中三个）。

表2　主要相变线的含义

4、十五个相区

单相区有5个，双相区有7个，三相区有3个。图略

（三）Fe-Fe3C相图的应用

1、在钢铁材料选材方面的应用

Fe-Fe3C相图揭示了铁碳合金的组织随成分变化的规律，由此可以判断出钢铁材料的力学性能，以便合理地选择钢铁材料。例如：机械工程中的各种零部件需要兼有较好强度、塑性和韧性的材料，应选用Wc=0.30％～0.55％范围内的钢材。而各种工具却需要硬度高，耐磨性好的材料，则多选用Wc=0.70％～1.2％范围内的高碳钢。

2、在制订热加工工艺方面的应用

（1）在铸造方面的应用。从Fe-Fe3C相图可以看出，共晶成分的铁碳合金熔点最低，结晶温度范围最小，具有良好的铸造性能。因此，铸造生产中多选用接近共晶成分的铸铁。根据Fe-Fe3C相图可以确定铸造的浇注温度，一般在液相线以上50～100℃，铸钢（Wc=0.15％～0.6％）的熔化温度和浇注温度要高得多，其铸造性能较差，铸造工艺比铸铁的铸造工艺复杂。

（2）在锻压加工方面的应用。由Fe-Fe3C相图可知钢在高温时处于奥氏体状态，而奥氏体的强度较低，塑性好，有利于进行塑性变形。因此，钢材的锻造、轧制（热轧）等均选择在单相奥氏体的适当温度范围内进行。

（3）在热处理方面的应用。Fe-Fe3C相图中的三条相变线是确定常用工艺，如退火、正火、淬火的加热温度的。

最后，应强调在应用相图进行分析时，要注意该相图反应铁碳二元合金中相的平衡状态，如果含有其他元素，相图会发生变化；当加热或冷却速度较快时，组织转变不能只用相图来分析。