铁碳合金相图的难点突破与应用

铁碳合金相图的难点突破与应用作者：吴建丽，仇文宁来源：《教育教学论坛》2013年第16期摘要：铁碳合金相图中涉及的理论知识抽象，新概念较多，图形上的点、线、区都有着不同的含义，难以理解[1]。

该知识是《金属材料与热处理》课程的重点和难点，如何突破难点让学生掌握这个重点是教学过程中必须要面对的问题。

笔者在教学实践中经过研究发现了掌握铁碳合金相图及其应用之间的一些联系和规律，在实际教学中取得了很好的效果。

关键词：铁碳合金相图；热处理工艺；渗透作用中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）16-0172-02一、引言铁碳合金相图是《金属材料与热处理》课程最重要的教学内容之一。

它表示了平衡条件下合金成分、状态和温度之间的变化规律，是分析铁碳合金成分和组织变化规律的有效工具。

铁碳合金相图是该课程前述和后续知识之间的联系纽带，是学习后续章节的理论基础，是分析组织、判断性能、选择材料、确定热处理及铸锻焊工艺的重要依据，尤其是在热处理内容的教学中，热处理工艺的加热温度都是依据铁碳合金相图来确定。

如果学生能把相图全面理解掌握，热处理章节的内容就会变得轻松自如[1]。

由于铁碳合金相图的内容比较抽象，相图中点、线、相区、组织、温度较多[2]，学生很难完全理解，只是机械地将铁碳合金相图中各区域的组织记下来，无法掌握各组织的转变规律，所以在教学过程中，往往老师觉得已经讲得透彻明白而学生却不知所云。

如何使学生快速、彻底地理解和记忆铁碳合金相图，并能正确运用相图解决实际问题一直是我们在教学中思考和探讨的问题。

在教学实践的过程中，笔者以理论教学为主线，辅以相图为综合渗透，融会贯通，使学生既做到对理论的掌握，又得到能力上的锻炼。

在教学中笔者做了以下尝试。

二、前期铺垫铁碳合金相图是研究钢铁的重要理论基础，实际生产中使用的铁碳合金的含碳量不超过5%，因而常用的铁碳相图只是Fe-C合金相图的一部分，即Fe-Fe3C相图。

铁碳合金相图教学单元的设计与实施摘要:铁碳合金相图的识读和应用是《热加工工艺》教学中的一个难点,如何突破难点,达到好的教学效果,是我们经常面对的问题,本文对解决这一难点进行探讨并提出一些见解和解决方法。

关键词:热加工铁碳合金相图多媒体实验项目教学“热加工工艺”是我院机械类专业的基础课程。

在学习过程中,我们发现,铁碳合金相图贯穿各个热加工工艺,并对生产实践有着重要的指导意义,它不但可以作为选材的重要依据,而且还可以作为制定各种热加工工艺的依据,因此学好并用好铁碳相图在整个课程教学中起到特别重要的作用。

但由于这部分内容涉及的新概念多,理论较抽象,而高职学生又大多学习能力较差,在以往的教学过程中,同学老师都感到有相当的难度。

通过多次的教学反思,我们在教学过程中进行了如下步骤的尝试:1、提高学生学习的兴趣和动力通常人们在讲授这部分内容的时候习惯按照相图的建立---识读---应用顺序来讲授,先简单介绍相图建立的过程,然后详细介绍如何识读相图,由于内容枯燥,又不清楚实际的意义,所以真正讲到其相图应用的时候,大多数学生是只知其然而不知其所以然,学习效果很差。

为了突出教学效果,我们在讲授过程把铁碳合金相图单独作为一个教学单元设计突破,依据学生特点,先入为主,把相图的应用通过多媒体课件介绍给大家,让学生初步了解相图在制定热加工工艺和选材方面的作用,然后再举“趁热打铁”和“炉火纯青”两个成语的例子,让学生通过讨论和查询相关资料,了解“火候”即“温度”在铸造和锻造中的重要作用,而温度选择的核心依据即是铁碳合金相图,让学生真正感受到学习铁碳相图的重要性,提高学生的学习热情,为学好铁碳相图打下良好的基础。

2、追本溯源,认清本质铁碳相图是由德国的洛兹本在前人工作基础上建立起来的,铁碳相图清楚地表明了铁碳合金成分、温度、组织三者之的关系,即同一成分不同温度,同一种温度不同成分,它们组织不同,室温组织随含碳量有变化,最终导致钢铁力学性能的变化,因此我们既可以依据相图按使用要求创新材料,又可把相图作为制造机械的重要工具。

主要教学步骤和教学内容★课程回顾：（5min）铁碳合金的基本分类方法；五种典型铁碳合金的平衡结晶过程及室温组织。

★课程导入：（5min）1、铁碳合金相图在实际生产中有何应用，其局限性体现在哪方面？2、工业铸铁与铁碳合金相图中的白口铸铁组织与性能有何区别？（提出问题，学生思考并回答）★新课讲授：（70min）一、碳含量对铁碳合金平衡组织及性能的影响室温下铁碳合金中成分、平衡组织、组成物及性能的定量关系如图所示。

室温下，铁碳合金由铁素体和渗碳体两种基本相组成。

随着含碳量的增加，合金的室温组织中的渗碳体相数量呈直线增加。

同时，铁素体相和渗碳体相的形态和分布（即组织）也随着含碳量的增加而变化。

由于随着含碳量的增加，组成相及平衡组织发生了改变，合金的力学性能也相应发生变化。

亚共析钢的组织是由铁素体和珠光体组成，随着含碳量的增加，其组织中珠光体的数量随之增加，因而强度、硬度逐渐升高，塑性、韧性不断下降。

过共析钢的组织是由珠光体和网状二次渗碳体组成，随着钢中含碳量的增加，其组织中珠光体的数量不断减少，而网状二次渗碳体的数量相对增加，因而强度、硬度升高，塑性、韧性不断下降。

由图可看出，当ω=0.9%时，强度极限出现峰值，随后强度显著下降。

这是由于二c次渗碳体量逐渐增加形成连续的网状，从而割裂基体，故使钢的强度呈迅速下降趋势。

由此可见，强度是一种对组织形态很敏感的性能。

实际生产中，为了保证碳钢具有足够的强度，一定的塑性和韧性，碳质量分数一般不应超过1.3%~1.4%。

白口铸铁中都存在莱氏体组织，具有很高的硬度和脆性，既难以切削加工，也不能进行锻造。

因此，白口铸铁的应用受到限制。

但是由于白口铸铁具有很高的抗磨损能力，对于表面要求高硬度和耐磨的零件，如犁铧、冷轧辊等，常用白口铸铁制造。

二、Fe- Fe3C相图在工业中的应用（1）在选材方面的应用C相图反映了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律。

这样，就可以根据零Fe- Fe3件的工作条件和性能要求来合理的选择材料。

铁碳合金相图教学中重难点分析及化解作者：黄立城来源：《职业·中旬》2010年第05期学好铁碳合金相图,不但为学习后续课程打下基础,同时也培养了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、技校学生理论知识接受能力差等原因,致使铁碳合金相图成为学生学习本门课程的瓶颈。

教学中如何突破这一重难点,笔者结合多年的教学实践,提出粗浅的分析和化解方法。

一、铁碳合金相图教学内容的重点和难点1.特性点、特性线是重点铁碳合金相图描述的是铁碳合金中成分、温度与组织之间的关系,其图上的特性点和特性线是具有相同特殊物理意义的点或点的集合,简化铁碳合金相图中有7个特性点、6条特性线,12个相图组织。

要掌握好铁碳合金相图,就必须弄清楚相图上各特性点、特性线的含义,才能为正确填写相图组织打下基础,进而利用铁碳合金相图分析铁碳合金成分、组织与性能之间的关系。

2.正确画出铁碳合金相图是难点中职教材里对于铁碳合金相图虽经简化,但因含碳量不同,而又可分成若干类,各类铁碳合金随温度的变化又出现各种组织而使图面显得复杂,难于记取。

根据中技学生的特点,要准确完整画出铁碳合金相图,对于学习基础较差的学生来讲,是有相当的难度。

二、铁碳合金相图教学难点原因分析1.学生的认知能力教学过程是一个学生认知发展的过程,也是一个循序渐进的过程,需要学生不断地理解、思考、融会贯通、自我调节,使自己的认知水平不断提高。

众所周知,中技学生自身文化基础较差,学习能力低下,对于理论知识更是不感兴趣,认知能力存在较大的差异。

而铁碳合金相图是一个理论性较强的知识,学生要在较短的时间内完成认知过程,确实较为困难,这就形成了教学难点。

2.受教学条件限制《金属材料与热处理》是一门与生产实践联系较为密切的课程,教材中有许多相关的实验课题。

但限于硬件设备的不足,或缺乏对实验数据的处理和分析,或相关的实验无法进行。

铁碳相图的应用在学习铁碳相图的应用之前，我们先学习一下碳的质量分数对平衡组织的影响。

其中主要表现在：碳的质量分数对平衡组织的影响。

碳的质量分数对力学性能的影响。

碳的质量分数对工艺性能的影响。

（1）碳的质量分数对平衡组织的影响。

含碳量——相对量C%↑→F%↓，Fe3C%↑（2）碳的质量分数对力学性能的影响。

HB：取决于相及相对量C%↑→HB↑强度：C%↑→σ↑ 0.9%↑→σ↓塑性、韧性：C%↑→塑性↓、韧性↓（3）碳的质量分数对工艺性能的影响主要表现在对：铸造，锻造，焊接，以及机械加工性能的影响。

Fe - Fe3C 相图的应用主要表现在：选择材料方面的应用制定热加工工艺方面的应用（1）选择材料方面的应用分析零件的工作条件, 根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律进行选择材料。

若零件要求塑性，韧性好，如建筑结构和容器等，应选用低碳钢（0.10~0.25%C）；若零件要求强度、塑性、韧性都较好，如轴等，应选用中碳钢（0.25~0.60%C）；若零件要求硬度高、耐磨性好，如工具等，应选用高碳钢（0.6~1.3%C）。

白口铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其具有很高的抗磨损能力，可应用于少数需要耐磨而不受冲击的零件，如：拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等。

2. 根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律, 确定选定材料的工作范围。

（2）在制定热加工工艺方面的应用1、在铸造工艺方面的应用2、在热锻、热轧工艺方面的应用3、在热处理工艺方面的应用对铸造：确定铸造温度；根据相图上液相线和固相线间距离估计铸造性能的好坏.对于锻造：确定锻造温度。

对焊接：根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性。

对热处理：相图更为重要。

可以说相图是热处理的工艺指南。

“铁碳合金相图”的教学思路浅析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。

（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。

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]。

铁碳合金的相图的详细重点讲解铁碳合金的相图，这可是材料学里相当重要的一部分！咱今天就来好好唠唠。

我先给您讲个事儿啊。

有一次我去一个工厂参观，看到师傅们在处理各种金属材料。

我就好奇地问其中一位师傅，为啥有的材料硬邦邦，有的却软乎乎呢？师傅笑着说，这就得从铁碳合金的相图说起啦。

咱先看看这相图的横坐标，那是碳的质量分数。

纵坐标呢，则是温度。

这就像是一张藏宝图，告诉我们在不同的碳含量和温度下，铁碳合金会呈现出啥样的相。

比如说，在含碳量比较低的时候，咱们会遇到铁素体。

这铁素体啊，就像个温柔的“软妹子”，它的强度和硬度都不太高，但是塑性和韧性那是相当不错。

再往碳含量高的地方走，就碰到了渗碳体。

这渗碳体可不好惹，像个“铁汉子”，又硬又脆。

然后就是珠光体，它是铁素体和渗碳体的混合物，性能就比较综合啦。

重点来了哈！共晶转变和共析转变这两个地方您可得瞪大了眼睛瞧。

共晶转变的时候，液态合金会一下子变成两种固相的混合物，就像是魔法一样！共析转变呢，也是类似的神奇变化。

您想想，如果我们在生产中能准确把握这相图，控制好碳含量和温度，那就能得到我们想要性能的材料，多牛啊！比如说，我们要制造一把锋利的刀，那就要让材料硬度高，这时候就得增加碳含量，并且通过合适的热处理工艺，让相的组成符合我们的要求。

还有啊，在研究这相图的时候，可别死记硬背那些数字和线条。

要理解背后的原理，就像理解一个人的性格一样。

总之，铁碳合金的相图是个宝库，只要我们好好挖掘，就能在材料的世界里游刃有余。

就像我在工厂里看到的那些师傅们，他们熟练地运用相图的知识，制造出各种优质的产品。

希望您也能通过对相图的深入理解，在材料的领域里大展身手！。