基于分步诱导和互动讨论的铁碳合金相图教学实践

李妙玲

(洛阳理工学院 机械工程学院，河南 洛阳 471023)

基于分步诱导和互动讨论的铁碳合金相图教学实践

李妙玲

(洛阳理工学院 机械工程学院，河南 洛阳 471023)

为了建立高效的教学结构模式，将分步诱导和互动讨论方法引入铁碳合金相图教学实践中。首先解决为什么学习相图的问题，再以相图在粉末冶金材料制备中的经典妙用作铺垫，诱导学生的学习兴趣。互动讨论方式建立在让学生观察相图、提出问题的基础上，教师围绕问题讲解，让学生记录重要数据，并复述重要数据表达的意义，绘制相图、推导组织，实现理解记忆。这是一种将相图基础知识、铁碳合金相图绘制技巧、组织演变规律融合在一起高效教学方法。

分步诱导；互动；讨论；铁碳合金相图；组织

铁碳合金相图是长期生产实践和科学实验的结晶，是分析钢和铸铁化学成分、显微组织与性能关系的重要工具，是机器零件选材、确定热处理及铸锻焊工艺的理论依据。全面掌握了该相图，对金属材料及其热处理相关内容的学习就会非常轻松，为今后从事机械设计制造工作或研究开发新材料、新工艺奠定良好的基础。

在教学过程中，老师都会把铁碳合金相图作为重点内容讲解，并要求学生记住。但该相图中点、线、相区较多，机械记忆很难、且容易忘记，还会使学生产生畏难情绪，失去学习兴趣。如何透彻地讲解铁碳合金相图，并使学生理解、记忆、正确运用相图解决实际问题一直是教学中必须思考和探讨的问题。

在教学实践中，课题组教师采用了铺垫诱导、分步渗透、互动式讨论等教学方法，激发学生的学习兴趣，将相图基础知识、铁碳合金相图绘制技巧、组织演变规律融合渗透在一起，达到融会贯通、自我学习的目的。

1 铺垫诱导引出铁碳合金相图

相图本身就是一个抽象的概念，铁碳合金相图又很复杂，直接讲解会使学生觉得突兀、难以接受。所以在讲解铁碳合金相图之前，需要做足够的铺垫。

首先，为什么要学习相图？由于合金的结晶过程远比纯金属复杂，同一合金系中元素比例不同将导致材料微观组织结构和性能的迥异。为了给机械制造专业技术人员提供选材依据、为材料科技工作者提供研究理论依据，科技工作者在长期科学实验和生产实践检验的基础上绘制了各种合金系在及其缓慢冷却条件下的结晶过程图。

但是，语言的阐述不论多么生动，还是难以引起学生的兴趣。为此，老师们在课堂上以最简单的铜镍合金为例，配置一系列不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，绘制在时间-温度图中。反问学生“可否将所有成分的铜镍合金全部配置并测定冷却曲线呢？”同学们一致认为这是不现实。此时，课堂气氛活跃起来，老师和同学们达成共识：科学实验的目的是找出规律，指导生产实践，而不能穷尽实验。教师不失时机地引导学生从冷却曲线图上找出所有合金的结晶开始温度和结晶终了温度，不考虑结晶时间的情况下，连接相同意义的相变点，就得到了温度-成分坐标系中的铜镍合金相图。学生们很快接受了相图的意义和用途，并认为相图原来不神秘。

然后，以相图的神奇妙用吸引学生。相图的应用体现在结晶过程定性描述、相(组织)成分定量计算及其指导零件选材、制造工艺等方面。课本上对某成分合金的结晶分析过程虽然图文并茂，但都是局限在结晶转变示意图上，或给出结晶后的显微组织图像。为了让学生确实明白分析结晶过程的重要性，特意引入中科院金属材料研究所王崇琳教授著的《相图理论及其应用》，王教授在“制取粉末高速钢”时，他从铁碳合金相图中注意到了碳含量每提高0.1%，固相线温度下降10℃，于是通过控制碳加入量来确定烧结温度范围，使粉末高速钢的生产制备得以稳定进行。看着展示在面前的铁碳合金相图，学生无不佩服王教授，同时认识到了相图学习的重要性[1-2]。

最后，以公式推导带动学生。理工科的学生最擅长的是计算，在相图学习中他的用武之地就是杠杆定律，一定要以此为切入点，激发学生的求知欲，让学生有学习的成就感。先带领学生分析杠杆定律的推导过程，再举例计算不同组分在不同温度时的质量百分比。学习杠杆定律阶段以Pb-Sn合金为例，等到铁碳合金相图引出后，就给学生假定角色，或作为材料检验员、或作为新材料研发人员、或者售后服务人员，提出工作中遇到的难题等，令学生从不同的角度利用杠杆定律为自己的工作服务。通过模拟角色，杠杆定律在应用中的重要性和关键点就暴露出来了，学生在不断的解决问题中成长起来。

2 互动式讨论掌握铁碳合金相图

互动式讨论铁碳合金相图仍是当仁不让的主角。这张点、线、相区繁多的相图可能会吓倒同学们，教学中采用的互动讨论的方式逐步引导深入掌握。

首先，简化相图。铁碳合金相图左上角的包晶反应部分在高温区，对应的组分区间小，但极大的增加了相图理解的难度。教学中，将此部分略去，不影响相图分析和应用[3]。

然后，让学生们观察相图，指出相图中不认识字母和符号。F、A、P、Fe3C、Ld、Ld′，一一被学生指出来。知道自己不认识就要弄懂了，学生开始主动在书中找答案。老师要引导学生先掌握三种基本相：F、A、Fe3C，各自的晶格结构类型、含碳量、相变温度，同时复习前述课中讲过的固溶体、金属化合物的性能；再将学生引导到两种复合相P、Ld(Ld′)学习中，同时复习共晶反应、共析反应、弥散强化等概念。此时，教师要求学生在纸上记下概念中涉及到的重要温度、含碳量，边写边提问大家“此温度和含碳量多少的铁碳合金有联系、出现什么反应、组织是什么？”很快，学生就熟悉了这些字母符号代表的相或组织。

第三，动手绘制相图。先让学生回顾相图概念：铜镍合金为例的相图是如何得到的？它是温度-成分坐标系中相同相变意义点连线形成的合金结晶过程简明图解。明确之后，开始和老师一起绘图。

①先画出坐标系：横坐标为碳含量，纵坐标为温度；在(左、右)纵坐标上标出学习基本相和复合相时记忆下来的温度(200、727、912、1148、1538、1227℃)点；在横坐标上标出碳含量特殊成分(0.0008、0.0218、0.77、2.11、4.3、6.69)%点。

②回顾温度和含碳量的特殊对应点：Q(0.0008，200℃)—室温下铁素体中碳的溶解度为0.0008%；P(0.0218，727℃)—727℃时铁素体中碳的溶解度达到最大值0.0218%，含碳量大于0.0218%的铁碳合金就会出现共析反应；S(0.77，727℃)—含碳量为0.77%的铁碳合金是共析钢，727℃是共析温度，此时奥氏体含碳量最低；E(2.11，1148℃)—1148℃时奥氏体中碳的溶解度达到最大值2.11%，含碳量大于2.11%的铁碳合金就会出现共晶反应；C(4.3，1148℃)—含碳量为4.3%铁碳合金是共晶组织，1148℃是共晶温度；D(6.69，1227℃)—含碳量6.69%的铁碳合金全部是Fe3C组织，Fe3C的熔点是1227℃；G(0，912℃)—纯铁的同素异晶转变温度；A(0，1538℃)—纯铁的熔点。

③连接具有相同相变意义的点：727℃是共析温度，含碳量大于0.0218%的铁碳合金就会出现共析反应，这是第一条水平线—共析线PSK；1148℃是共晶温度，含碳量大于2.11%的铁碳合金就会出现共晶反应，这是第二条水平线—共晶线ECF；纯铁熔点A、Fe3C的熔点D为液固分界点，共晶点C同样为液固分界点，连线ACD即为液相线；同时，E点共晶反应开始，液固转变结束，连线AE即为固相线；E点奥氏体中碳的溶解度最大2.11%，S点奥氏体中碳的溶解度最小0.77%，连线ES就是C在奥氏体中的溶解度变化线；G点γ-Fe转化为α-Fe，发生同素异构转变，S点奥氏体(γ相)全部转化为珠光体(F+Fe3C，F即是α相)，而P点奥氏体(γ相)全部转化为F(α相)，这样连接GS就是奥氏体向铁素体转变的开始线，连接GP就是奥氏体向铁素体转变的终了线；连接PQ自然就是碳在铁素体中的溶解度变化线。

至此，相图连线绘制完毕，剩余就是标注相区产物和记忆相图。相关文献将相图联想为小鸟，很有想象力，值的借鉴[4]。但关键还要靠理解。教学中采用从自上而下(液相→液固共存→固相→二次析出相)，按照反应类型(匀晶、共析、共晶、二次析出等)和组织演变规律把组织产物推导出来。同时，采用从左到右(工业纯铁→钢→铸铁)，根据含碳量的不同(0%～0.0218%～0.77%～2.11%～4.3%～6.69%)，推导组织，利用多媒体展示图片，引导学生观察显微组织变化，并逐步把组织与其性能联系起来，再穿插材料应用的相关例子，使学生在应用中学习，达到事半功倍的效果。

3 结论

铁碳合金相图是机械工程材料课程教学中的重点，应用广泛。后续课程机械设计、机械制造工艺等课程都要应用，他是学生完成课程设计、毕业设计的重要知识体系，用人单位在招聘考试中也常提到有关相图的内容，近机械类专业的学生在今后的工作和深造中更是离不开相图知识，只有学会并理解了相图的内涵，才能举一反三、融会贯通。

经过教学实践的检验，只有多种方法并举，将相图基础知识、铁碳合金相图绘制技巧、组织演变规律融合在一起，以让学生理解记忆、自我学习为目的，才能收到良好的教学效果。

[1] 王崇琳.相图理论及其应用[M].北京：高等教育出版社,2008.

[2] 李祖德.相图分析在研发粉末冶金材料中的重要作用—《相图理论及其应用》有关章节学习笔记[J].粉末冶金技术,2011,29(6):463-467.

[3] 王尧杰,修淑英.铁碳合金相图的绘制[J].新技术新工艺,2011(8):137-138.

[4] 刘敏惠.分步轻松掌握Fe-Fe3C相图[J].黑龙江科技信息,2010(22):186.

(本文文献格式：李妙玲.基于分步诱导和互动讨论的铁碳合金相图教学实践[J].山东化工,2017,46(5):127-128.)

Teaching Practice on the Iron-carbon Alloy Phase Diagram Based on Step by Step Induction and Interactive Discussion

LiMiaoling

(Department of Mechanical Engineering,Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023,China)

In order to establish an efficient teaching mode,step by step induction and interactive discussion were introduced into the teaching practice on the iron-carbon alloy phase diagram.The problem,why studying the phase diagram,was first solved.The application of the iron-carbon alloy phase diagram in the preparation of powder metallurgy materials was given as an example.This stimulates the interest of students in learning.The interactive discussion was executed after the students were asked to observing the phase diagram and raising some questions.When a teacher was explaining an issue,the students must have recorded the important data.Next,the students were asked to retell the significance of the data,to draw the phase diagram and to deduce phase structures.This helps students to understand and memory the phase diagram.The method realizes such an integration with basic knowledge of phase diagrams,drawing skills of the iron carbon alloy phase diagram and evolution rules of phase structure.

step by step induction;interactive;discussion;the iron-carbon alloy phase diagram;phase structure

2017-02-06

河南省教育厅自然科学研究计划项目(2011B430016)

李妙玲(1970—)，女，河南洛阳人，博士，副教授，主要从事机械制造及其自动化专业的教学和科研工作。

G642.4

B

1008-021X(2017)05-0127-02