抓住“三種轉(zhuǎn)變”學(xué)好簡明Fe-Fe3C相圖

山東 畢靜波

抓住“三種轉(zhuǎn)變”學(xué)好簡明Fe-Fe3C相圖

山東 畢靜波

《工程材料》是機(jī)電類專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，簡明Fe-Fe3C相圖是重點(diǎn)與難點(diǎn)，其特點(diǎn)可以概括為“五多”，即“組織相多”、“概念多”、“特性點(diǎn)多”、“特性線多”、“相區(qū)多”。因此，教師難教，學(xué)生難學(xué)。筆者在教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)出“抓住三種轉(zhuǎn)變，學(xué)好簡明Fe-Fe3C相圖”的教學(xué)方法，可以刪繁就簡，抓住重點(diǎn)，解決難點(diǎn)。

“五多”同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變；共晶轉(zhuǎn)變；共析轉(zhuǎn)變

1 先談“五多”

（1）“組織相多”即基本相有液相、鐵素體、奧氏體、滲碳體，組織有珠光體、萊氏體，與組織相相對(duì)應(yīng)的符號(hào)分別為 L、F、A、Fe3C、P、Ld。

（2）“概念多”與組織相相對(duì)應(yīng)的分別為液相L，是鐵碳內(nèi)合金在熔化溫度以上形成的均勻液體；鐵素體F，指碳溶于α-Fe中形成的間隙固溶體體；奧氏體A，指碳溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體；滲碳體Fe3C，是一種復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的金屬化合物，是鐵碳合金中主要的強(qiáng)化相；珠光體P，是共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，是鐵素體F與滲碳體Fe3C組成的機(jī)械混合物；萊氏體Ld，是共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，是奧氏體A與滲碳體Fe3C組成的機(jī)械混合物。

（3）“特性點(diǎn)多”，如表1所示。

（4）“特性線多”，如表2所示。

（5）“相區(qū)多”，如表 3 所示。

表3 簡明Fe-Fe3C相圖相區(qū)

2 “抓住三種轉(zhuǎn)變”

表1 簡明Fe-Fe3C相圖主要特性點(diǎn)

所謂“抓住三種轉(zhuǎn)變”，即抓住簡明Fe-Fe3C相圖中包含的純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、共晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變。

（1）首先談純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，自然界中大多數(shù)金屬結(jié)晶后晶格類型都不再變化，但少數(shù)金屬，如鐵、錳、鈷等，結(jié)晶后隨著溫度或壓力的變化，晶格會(huì)有所不同，金屬這種在固態(tài)下晶格類型隨溫度（或壓力）變化的特性為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。如圖1所示。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變可概括如下：

α-Fe和δ-Fe都是體心立方晶格，γ-Fe為面心立方晶格。純鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特征，是鋼鐵材料能夠通過熱處理改善性能的重要依據(jù)。純鐵在發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，由于晶格結(jié)構(gòu)變化，體積也隨之改變，這是加工過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的主要原因。那么，只有在此基礎(chǔ)上，我們才可以講述在鐵碳合金中，由于鐵和碳的交互作用，可形成下列五種基本組織：

鐵素體（F）、奧氏體（A）、滲碳體（Fe3C）、珠光體（P）、萊氏體（Ld）及其概念。

表2 簡明Fe-Fe3C相圖主要特性線

圖1 純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

（2）然后，談共晶轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變是在一定的溫度下，從一定成分的液相合金中同時(shí)結(jié)晶出兩種成分和結(jié)構(gòu)皆不相同的固相的反應(yīng)，這時(shí)三相共存，可用公式L←→α＋β表示。對(duì)于鐵碳相圖而言含碳量為2.11%--6.69%的鐵碳合金，在1148℃的恒溫下發(fā)生共晶反應(yīng),產(chǎn)物是奧氏體(固態(tài))和滲碳體(固態(tài))的機(jī)械混合物，稱為“萊氏體”。有共晶反應(yīng) L4.3←→A2.11+Fe3C

（3）最后，談共析轉(zhuǎn)變。共析轉(zhuǎn)變是由一種固相轉(zhuǎn)變成兩種固相的固/固轉(zhuǎn)變叫做共析轉(zhuǎn)變。因?yàn)閮煞N新析出的固相成分互補(bǔ)后等于原始固相，新相析出過程中需要相偕共同析出，所以稱為共析轉(zhuǎn)變，可以用公γ←→α＋β表示。對(duì)于鐵碳相圖而言含碳量為0.0218%--6.69%的鐵碳合金，在727℃的恒溫下發(fā)生共析反應(yīng),產(chǎn)物是鐵素體(固態(tài))和滲碳體(固態(tài))的機(jī)械混合物，稱為“珠光體”。有共析反應(yīng)A0.77←→F0.0218+Fe3C。共晶轉(zhuǎn)變與共析轉(zhuǎn)變的相圖特征十分相似，區(qū)別僅在于共析轉(zhuǎn)變的反應(yīng)相是固相而非液相。

在Fe-Fe3C相圖中，可以把ECF和PSK兩條水平線比作兩個(gè)海平面，把ACD和GSE線比作在海平面上飛翔的兩只海鷗，因而整個(gè)圖形可視為“兩只海鷗首尾相連”，如圖2所示。后連接AE線，至此構(gòu)成了Fe—Fe3C相圖的主要部分。這樣學(xué)生聽起來既有興趣，也容易記憶，便于學(xué)生的掌握。

圖2 兩只海鷗首尾相連圖

總之，只要抓住“三種轉(zhuǎn)變”，結(jié)合“兩只海鷗首尾相連”，學(xué)好簡明Fe-Fe3C相圖，掌握“五多”并不難。

[1]陸漱逸,王于林編.工程材料學(xué).航空工業(yè)出版社,1987.

[2]鄧文英.金屬工藝學(xué).高等教育出版社，1999.

[3]王紀(jì)安.工程材料與材料成形工藝.高等教育出版社，2000.

[4]王體民.鐵碳合金相圖教學(xué)探究.中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2008,9.

[5]楊雁霞.如何使學(xué)生掌握鐵碳合金相圖.職業(yè)教育研究，2004,8.

（作者單位：畢靜波，山東省威海職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，講師，碩士）