怎样学好“铁碳合金状态图”

王延花

摘 要：《金属工艺学》是职业中专机械类专业的必修课，而“铁碳合金状态图”是本课程的重点，其地位不言而喻。怎样来学习这一部分，突破这一瓶颈，使多数同学都能较好的掌握呢？本文就阐述了这部分的学习方法。

关键词：金属工艺学 铁碳合金状态图 必修课

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2014）03（a）-0167-02

《金属工艺学》是职业中专机械类专业的必修课，而“铁碳合金状态图”是本课程的重点，其地位不言而喻。学好铁碳合金状态图，不但为后续课程的学习打下基础，同时也能培养学生正确选择和合理使用合金材料、热处理加工工艺等能力。但是，学生普遍反映“铁碳合金状态图”难以理解和掌握。的确，由于该部分内容较为抽象、理论性较强、知识覆盖面广，同时又缺乏具体的实验或教具可以演示，而且职专学生对于纯理论知识的接受能力普遍差等原因，致使铁碳合金状态图成为了难点。那么，怎样来学习这一部分，突破这一瓶颈，使多数同学都能较好的掌握呢？笔者根据几年的教学经验，认为可以按照以下的步骤来进行学习。

1 激发兴趣

俗话说“兴趣是最好的老师”。铁碳合金状态图内容枯燥而抽象，而且不能通过实践的方法获得，不易被学生接受，致使学生容易产生厌烦情绪。因此，首先要激起学生的学习兴趣。可以通过这样几个途径。

（1）充分利用绪论内容，激发学生学习的自豪感。

我国是世界上使用铜、铁最早的国家，早在4000年前就开始使用铜。河南安阳出土的商代司母戊大鼎，是迄今世界上最古老的大型青铜器。我国春秋时期开始用铸铁作农具，比欧洲国家早1800多年。我国战国时期制剑技术已相当高明。西汉时期制作的金缕衣举世无双。汉代的长信宫灯、青铜奔马有很高的工艺水平。北京大钟寺明代永乐大钟重46.5吨，铸有佛经铭文23万字，钟声悠扬悦耳，是中外有名的古代佛中王。然后，可通过数据、图片等资料介绍钢铁材料在机械、建筑等领域内的应用，强调学好铁碳合金状态图的重要性。

（2）教师可以把日常生活中和金属材料相关的一些知识以图片或视频等的形式展示给学生，使他们对金属材料形成初步的认识；然后让学生带着问题去学习。教师可列举一些生活中常见的现象，并提出疑问。比如：弹簧为什么具有弹性？什么样的材料才具有弹性？为什么有的铁很软而有的却很硬？这些问题的提出就促使学生去学习，学习目的也就很明确了。

通过理论和实际的结合，学生的学习积极性就被充分调动起来了。

2 打好基础

在学习“铁碳合金状态图”之前，首先要搞清楚这样几个概念。

（1）铁素体：指碳在α-铁中形成的固溶体，用F表示，碳的溶解度很小。（2）奥氏体：指碳在γ-铁中形成的固溶体，用A表示，碳的溶解度较大。（3）渗碳体：指含碳量6.69%的铁与碳的金属化合物，化学式为Fe3C。（4）珠光体：指铁素体与渗碳体的混合物，用P表示。（5）莱氏体：指1148 ℃时奥氏体与渗碳体的混合物，用Ld表示。奥氏体在727 ℃时转换成珠光体，因此室温下的组织为珠光体与渗碳体的混合物，称为低温莱氏体，用Ld表示。

以上均是铁碳合金的基本组织，它们在学习铁碳合金状态图时极其重要。

学习过程中，还有两种反应也需要我们了解。

（1）共晶反应：由一定成分的液体合金中同时结晶出两种固相物质的转变过程。（2）共析反应：在固态下由一种单相固溶体同时析出两相固体物质的转变过程。

如果我們用纵坐标表示温度，横坐标表示碳含量（碳的质量分数）。横坐标上左端原点碳含量为零，即为纯铁；右端点碳含量为6.69%，即渗碳体（碳含量大于6.69%的铁碳合金脆性很大，没有实用价值）；横坐标上任何一点，均代表一种成分的铁碳合金，那么现在我们就可以来“认识”铁碳合金状态图了（如图1）。

面对这样复杂的图形，从哪里着手学习呢？所谓“打蛇打七寸”，必须先抓主干，把主要内容先理清楚了，继而进行全面学习。因此，先认识一下其中的特性点和特性线。

（1）特性点。

①A点：纯铁的熔点，温度为1538 ℃。

②C点：共晶点，温度为1148 ℃，发生共晶反应L（液相）（A+Fe3C），即莱氏体。

③D点：渗碳体的熔点，温度为1227 ℃。

④E点：碳在奥氏体中的最大溶解度。

⑤S点：共析点，温度为727 ℃，发生共析反应A（F+Fe3C），即珠光体。

（2）特性线。

①ACD线：液相线，其上均为液相，其下有固态出现。

②ACEF线：固相线，其上为液固共存的状态，其下全为固态。

③ES线：碳在奥氏体中的溶解度线。

④GS线：从奥氏体中析出铁素体的开始线。

⑤PSK线：共析线，发生共析反应，LL+AAP。

分清了特性点和特性线，对铁碳合金状态图也就有了初步的认识：液相线以上全为液态，这条线开始结晶出固态：C点以左首先结晶出奥氏体，C点以右首先结晶出渗碳体，C点同时结晶出奥氏体和渗碳体，即珠光体。随着温度的下降，碳在奥氏体中的溶解度逐渐降低，逐量被析出，自然和铁重新组合，生成金属化合物：渗碳体。同时，温度的下降，使得组成奥氏体的γ-Fe发生同素异构转变，因而组织随之改变。此时，若自己能够大致绘出铁碳合金状态图就达到要求了。如此，接下来就应分析具体的合金结晶过程了。

3 以两种反应为指导，分析组织

通过以上对特性点和特性线的分析，很自然的把合金状态图分为6部分（1线无意义，可忽略），如图1所示。根据碳含量和室温组织不同，将铁碳合金分成三类。

3.1 钢：含碳量为0.0218%～2.11%的铁碳合金

（1）共析钢：含碳量为0.77%的铁碳合金。（2）亚共析钢：含碳量小于0.77%的钢。（3）过共析钢：含碳量为0.77%～2.11%的钢。

3.2 白口铸铁：含碳量为2.11%～6.69%的铁碳合金

（1）共晶白口铸铁：含碳量为4.3%的铁碳合金。（2）亚共晶白口铸铁：含碳量为2.11%～4.3%的铁碳合金。（3）过共晶白口铸铁：含碳量为4.3%～6.69%的铁碳合金。

3.3 工业纯铁：碳含量小于等于0.0218%

现在可以对共析钢和共晶白口铸铁这两种典型的铁碳合金（即Ⅰ线和Ⅳ线）的结晶过程进行分析。

Ⅰ线的结晶过程：ACD以上为液态，到此线开始有固态奥氏体出现，AECF线为止全部转化成固态奥氏体，GS线开始有铁素体析出，PSK线奥氏体全部转化为铁素体和珠光体。S点发生共析反应，奥氏体转变成珠光体，即：

LL+AAP

Ⅳ线的结晶过程：ACD以上为液态，C点发生共晶反应，液态合金变成莱氏体；PSK线以下莱氏体变成低温莱氏体，即：

LLdLd

以此类推，可以分析出其它铁碳合金的结晶过程：

亚共析钢：LL+AAF+AF+P；过共析钢：LL+AAA+Fe3CP+Fe3C；亚共晶白口铸铁：LL+AA+Fe3C+LDP+Fe3C+Ld；过共晶白口铸铁：LL+Fe3C Ld+Fe3CLd+Fe3C

4 总结规律

通过对典型铁碳合金结晶过程的分析，不难得出这样的结论。

（1）无论哪种成分的合金，在冷却的过程中如果遇到共晶反应线，液体就一定会析出莱氏体。（2）无论哪种成分的合金，在冷却的过程中如果遇到共析反应线，奥氏体一定会变成珠光体。（3）从铁碳合金状态图的室温组织可以看出，任何成分的铁碳合金的室温组织一定是有铁素体和渗碳体组成；随着碳含量的增加，铁素体的含量逐渐减少，渗碳体的含量逐渐增多，且渗碳体的成分和状态也会发生变化。

5 学以致用

（1）选材方面的应用：比如，建筑结构和各种型钢需要塑性好、韧性好的材料，应选用碳含量较低的钢材。机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用碳含量适中的钢材。各种工具要用硬度高和耐性好的材料，则选用碳含量高的钢材。（2）铸造方面的应用：共晶成分的铸铁，结晶温度最低，结晶温度范围最小，因而流动性好，铸件致密，因此生产上铸铁的成分总是接近共晶成分。（3）锻造方面的应用：钢的锻轧温度一般选在单相奥氏体区，始锻温度不能过高，终锻温度不能过低。（4）焊接方面的应用。（5）热处理方面的应用。

6 加深理解，强化记忆

可以采用下面的练习题来进行训练。

1、Fe—Fe3C状态图上SE线，用代号（ ）表示。

A.A1 B.Acm

C.A3 D.ACl

2、Fe—Fe3C状态图中发生共析转变时，从奥氏体中析出（ ）混合物。

A.铁素体 B.莱氏体

C.渗碳体 D.珠光体

3.、Fe—Fe3C状态图上共晶线是（ ）

A.ECF线 B.ACD线

C.PSK线 D.AECF线

4、研究铁碳合金状态图时，图中最大含碳量为（ ）

A.0.77% B.2.11%

C.4.3% D.6.69%

5、发生共晶转变的含碳量范围是（ ）

A.0.77%～4.3%

B.2.11%～4.3%

C.2.11%～6.69%

D.4.3%～6.69%

6、液态合金在平衡状态下冷却时结晶终止的温度线叫（ ）

A.液相线 B.固相线

C.共晶线 D.共析线

7、共析钢的含碳量为（ ）

A.Wc=0.77% B.Wc>0.77%

C.Wc<0.77% D.Wc=2.11%

8、Wc<0.77%的铁碳合金冷却至A3线时，将从奥氏体中析出 （ ）

A.铁素体 B.渗碳体

C.珠光体 D.莱氏体

9、Wc>4.3%铸铁称为 （ ）

A.共晶白口铸铁

B.亚共晶白口铸铁

C.过共晶白口铸铁

D.共析白口铸铁

10、铁碳合金相图中，S点是（ ）

A.纯铁熔点 B.共晶点

C.共析点 D.纯铁同素异构转变点

11、钢的含碳量一般在 （ ）

A.0.77%以下 B.2.11%以下

C.4.3%122T D.6.69%以下

12、關于共析转变和共晶转变含义的说明，正确的说法是（ ）

A.共析转变是指一定成分的合金液体溶液冷却时转变为两种或更多紧密混合的固体的恒温可逆转变，其形成的组织为共析组织。

B.共晶转变是一定成分的固溶体冷却时转变为两种或更多紧密混合的固体的恒温可逆转变，其形成的组织为共晶组织。

C.共析转变是一定成分的固溶体冷却时转变为两种或更多紧密混合的固体的恒温可逆转变，其形成的组织为共析组织。

D.以上说法都不对。

13、Fe—Fe3C相图中的GS线是冷却时奥氏体析出铁素体的开始线，奥氏体向铁索体的转变是（ ）

A.碳在奥氏体的溶解度达到饱和的结果。

B.溶剂金属（铁）发生同素异构转变的结果。

C.奥氏体发生共析转变的结果。

D.以上都是。

14、碳在铁素体中溶解度很小，727 ℃时为（ ）

A.0.0218% B.0.77%.

C.2.11% D.4.3%

15、铁碳合金的室温组织相包括铁素体和（ ）

A.奥氏体 B.莱氏体

C.渗碳体 D.珠光体

这样一步步下来，相信学生都能把铁碳合金状态图真正的理解并且掌握了。

参考文献

[1] 郁兆昌.金属工艺学[M].2版.高等教育出版社，2007.