《铁碳相图》的教学方法探讨与实践

王　勇，顾　锋，姜　宁，周小青

（南通职业大学机械工程学院，江苏 南通226000）



《铁碳相图》的教学方法探讨与实践

王勇，顾锋，姜宁，周小青

（南通职业大学机械工程学院，江苏 南通226000）

摘要：铁碳相图对于钢铁材料的应用和热处理工艺的制订有十分重要的意义，也是《金属工艺学》等课程教学的重点内容。本文从课堂教学实践出发，对这部分的内容进行了总结和提炼，提炼出相图的六个成分点和六个温度点，以点连线容易得到简化版的铁碳相图。同时在教学中引入了课堂讨论和课后计算来辨明概念加深理解。最后特别强调铁碳相图的应用及其局限性。

关键词：铁碳相图；金属；教学

1　铁碳相图在课堂教学中的重要性

钢铁是国民经济的重要支柱，是工业上应用最多，用途最广的金属材料，它们都是铁碳合金，而铁碳合金相图则是钢和铸铁的重要理论基础，用Fe-Fe3C相图对典型成分的铁碳合金结晶过程进行分析，可进一步掌握铁碳合金成分—组织—性能之间的关系，进行合理的选材以及制定热处理、冷热加工工艺[1]。

毋庸置疑，铁碳相图是《金属工艺学》等金属材料相关课程的重点内容之一，它既是常用二元相图的一个典型实例，也是后续碳钢、铸铁和热处理的基础，是每个学生都必须掌握的基本内容[2-3]。

然而，铁碳相图却是教学中的一个难点，授课老师如何教才能让学生更容易接受，学生如何学才能更好的消化和掌握，破解“教师难教，学生难学”的问题。因此，在教学中进行精心的设计和设置课内讨论是完全有必要的。本文就是针对这样的情况，总结笔者在教学中的思考与探索，与同行切磋探讨。

2　课堂教学方法探索

2.1铁碳相图的绘制要点

（1）.纯铁的同素异构转变特性是钢可以热处理的前提条件

根据纯铁可以发生同素异构转变的特点，即随着温度的降低，纯铁从液相（纯铁的熔点1538℃）开始依次发生L-δ-γ-α的相的转变，其中γ-Fe与α-Fe的相互转变（912℃）是工程类学生需要掌握的重点。

在教学中对于这部分内容，可以做两个拓展：

拓展1：与学生共同来回顾γ-Fe和α-Fe的晶体结构类型和特点，如致密度等概念；

拓展2：设下一个伏笔，给学生一个期待，那就是为什么纯铁具有同素异构转变的特点是钢的热处理、甚至铸造、焊接等热加工工艺（后续教学内容）得以实施的前提条件。

（2）两种重要的固溶体（铁素体和奥氏体）

循着刚才的教学思路，带领学生继续探索，通过前人的实验可以发现，γ-Fe和α-Fe这两种不同的晶体结构中是可以溶解一定量的碳原子（即溶碳量），并且通常是以碳原子躲藏在晶格的间隙这样的形式而形成间隙固溶体，分别称之为奥氏体和铁素体，记作A和F.

当然，这两种固溶体A和F的溶碳量（或者称之为溶碳能力）是不同的，并且各自在不同的温度下其溶碳量也是不同的。见表1.

表1　铁素体和奥氏体中溶碳量的比较

在教学中对于这部分内容，也可以做如下拓展：拓展3：随着温度的降低其溶碳量也降低，溶解在F或A中的碳原子必须从F或A中析出，析出的碳原子它去哪里了？

经过讨论和观察相图，可以发现，一种重要的析出物是金属化合物，Fe3C，也称之为渗碳体，它的碳含量为6.69%，熔点为1227℃.之所以认为渗碳体是重要的析出物，是因为它具有的三高特性（高熔点、高硬度、高脆性），并且通常作为组织的强化相。

需要指出的是，另一种析出物则是石墨。这是弱化相，在“铸铁”章节中会有介绍。

（3）两种重要的转变（共晶转变和共析转变）

铁碳合金在平衡结晶过程中温度冷至1148℃，在碳含量为4.3%成分的液相发生共晶反应，共晶反应的产物奥氏体（含碳量2.11%）和渗碳体（含碳量6.69%）的混合物，叫莱氏体。合金冷至727℃，在碳含量为0.77%成分的奥氏体发生共析反应，反应产物是铁素体（含碳量0.0218%）和渗碳体（含碳量6.69%）的共析混合物，叫珠光体。至此，简化版的铁碳相图的关键点全部找到，见下表2.

表2　铁碳相图中关键点及温度、含义

这九个关键点包含6个成分点，分别是0，0.0218，0.77，2.11，4.3，6.69，以及6个温度点，分别是1538，1227，1148，912，727，以及0℃，见表3.

表3　铁碳相图中提炼出的12个点

从图1可知，由12个点连成线，即可得到大致的铁碳相图。再运用“两只海鸥首尾相连”[4]的形象比喻，把1148和727℃的水平线比作海平面，很容易画出“两只海鸥”，马上勾勒了铁碳相图的主要部分。这样，学生听起来既有兴趣，也容易记忆，便于学生掌握。

图1　铁碳相图6个成分点和6个温度点

2.2引导课堂讨论，辨明基本概念

经过上述的教学设计，学生不难画出简化版的铁碳相图。在此基础上，引导学生进行课堂讨论，辨明一些基本概念，也起到温故知新的作用，在此罗列了以下问题。

（1）什么是相？什么是组织？什么是组织组成物？相和组织的关系？比如室温时，共析钢的平衡组织为珠光体，珠光体属于组织，它的组成物是什么。

（2）什么是a-Fe，r-Fe?它们与铁素体、奥氏体有什么关系？

（3）什么是杠杆定理，它的应用条件是什么，如何用杠杆定理求组织的相对量。

2.3布置计算题，加深理解

通过布置一些用杠杆定理分析各组织的相对量（重量百分数）的计算题，比如计算含碳量为0.4%、0.8%、1.2%、4.3%和5%的铁碳合金在室温时各组织的相对量，了解该合金在不同温度下的相、组织、及其相对量，建立合金成分-组织-性能之间的关系。

3　课堂教学方法总结

通过在教学中提炼六个成分点和六个温度点，学生容易画出铁碳相图的网格点，通过联接一些关键点，很容易描绘出铁碳相图，同时，应用课堂讨论和课后计算的办法，辨明概念，加深理解，便于学生掌握和应用。

同时，在教学中，还需要强调铁碳相图在选材、热处理工艺等方面的应用，以及其局限性，包括相图描述的是平衡相，是在十分缓慢的冷却和加热条件下建立的，没有反应时间的作用，在实际生产中，当快冷和快热时，就不能直接应用上述相图进行分析，如图2.

图2　不同冷却速度下奥氏体的转变[6]

参考文献：

[1]严满清，徐更生，王海燕.《铁碳合金相图》的教学探究，安徽电子信息职业技术学院学报2010年第4期第9卷（总第49期），48-50

[2]曹维涤，张 建.铁碳相图课堂讨论指示书，电视大学，1982，（1）:14-17

[3]杨雁霞.如何使学生掌握铁碳合金相图，职业教育研究，2004.8 56

[4]毕静波.抓住“三种转变”学好简明Fe-Fe3C相图，职业技术，2010.02，39

[5]上海市机械制造工艺研究所主编，金相分析技术，上课科学技术文献出版社，1987，7.

[6]http://web.utk.edu/~prack/MSE%20300/FeC.pdf.

中图分类号：G642.0

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）04-0254-03

收稿日期：2016-01-13

基金项目：校精品资源共享课程《机械制造基础》（项目号JZ10）

作者简介：王勇（1973-），男，浙江临海人，工学博士，副教授，研究方向为机械工程。

Study and Practice on Teaching of the Iron-Iron Carbide（Fe-Fe3C）Phase Diagram

WANG Yong，GU Feng，JIANG Ning，ZHOU Xiao-qing
（School of Mechanical Engineering，Nantong Vocational University，Nantong Jiangsu 226007，China）

Abstract:Iron-Iron Carbide（Fe-Fe3C）Phase Diagram is of great significance for the application of iron and steel materials and the development of heat treatment process.It is also the key content of the teaching of the course such as"metal technology".Six components points and six temperature points have been concluded in this paper with the help of the teaching practice，which can be easily used to draw the simplified version of the iron carbon phase diagram.At the same time，the classroom discussion and calculation after class can be help to identify the concept and to understand the diagram.Finally，the application of the iron carbon phase diagram and its limitations were special emphasized.

Key words:iron-iron carbide phase diagram；metal；teaching