王樂 王蘊
【摘 要】鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工具,是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織和性能之間關系的理論基礎,是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝的依據,在工業上具有重要的意義。鐵碳合金相圖是《機械制造基礎》這門課程的難點也是重點。它的內容抽象、概念繁雜,學生理解起來非常困難,新接觸這門課程的教師在備課過程中也存在一定的困難。本文從鐵碳合金相圖的記憶口訣出發,深入淺出,最后到相圖的應用,清晰呈現了該知識點的脈絡。
【關鍵詞】鐵碳合金相圖;分析;應用
鐵碳合金相圖是《機械制造基礎》這門課程的難點也是重點。這部分內容抽象、概念繁雜,學生理解起來非常困難,本文從導入新課開始,引起學生思考興趣,從強調鐵碳合金相圖的重要性開始,講授新課,最后應用舉例,以達到學生的理解。
一、導入新課
采用回顧舊知識自然引入新課的學習的導入方法??梢赃@樣導入新課“在上一節介紹了鐵碳合金的基本知識,知道了碳的質量分數范圍和溫度及力學性能,那他們之間到底存在什么樣的關系呢?”還有,“我們在大一的時候學習過《工程圖學》這門課程,在制圖的時候,我們總會在標題欄里寫下45、HT200的字樣,那么這些材料和我們今天要學習的內容有什么聯系呢?”通過這樣提出問題,引起學生思考興趣,于是進入了“鐵碳合金相圖”的教學任務。
二、新課講授
先強調相圖的重要性,然后對其進行分析,最后指出其應用。
(一)通過圖1來強調鐵碳合金相圖的重要性——鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工具,是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關系的理論基礎。是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等的工藝依據。
(二)對鐵碳合金相圖進行分析。圖2即為鐵碳合金相圖。分析之前明確鐵碳合金相圖的概念,重點是熟練掌握鐵碳合金相圖中的特性點、特性線的含義及鐵碳合金的分類。
在復雜的鐵碳合金相圖組成面前,學生需要記住關于相圖的口訣“溫度成分建坐標,鐵碳二元要記牢;兩平三垂標特點,九星閃爍五弧交;共晶共析液固線,十二里面組織標,基本組織先標好,相間組織共逍遙,分析成分斷組織,鑄鍛處理離不了[1]?!备鶕菀子洃浀目谠E來對照相圖的各個點、線和區域,才能使學生真正的理解鐵碳合金相圖的意義。把相圖用三個轉變、九個特性點、九條相變線和十五個相區來總結,然后對相圖進行分析。
1.三個轉變。
圖2非常復雜,學生看這個圖容易厭倦,所以可以把相圖簡化為圖3,清晰明了,即是三個相的轉變。第一個轉變是包晶轉變。在B點(C%=0.53%,液態,t=1495℃),液相與高溫鐵素體相互作用生成奧氏體。第二個轉變是共晶轉變。在圖中的C點(C%=4.3%,液態,t=1148℃),同時轉變為奧氏體A和滲碳體(Fe,C)的混合物,即萊氏體。第三個是共析轉變。鐵碳合金相圖中, 奧氏體A點在727℃時,即S點,同時轉變為鐵素體(F)和滲碳體(Fe,C)的混合物,即珠光體P。
2.九個特性點。
相圖中有純鐵熔點、同素異構轉變點、共晶點、共析點、包晶點等9個主要的特性點,特性點的代號、溫度及碳含量和含義如表1(僅列其中三個)。
3.九條相變線。
相圖中有液相線、固相線、共晶線、共析線等九條相變線。其代號及含義如表2(僅列其中三個)。
4.十五個相區。
單相區有5個,雙相區有7個,三相區有3個。圖略
(三)Fe-Fe3C相圖的應用
1.在鋼鐵材料選材方面的應用。
Fe-Fe3C相圖揭示了鐵碳合金的組織隨成分變化的規律,由此可以判斷出鋼鐵材料的力學性能,以便合理地選擇鋼鐵材料。例如:機械工程中的各種零部件需要兼有較好強度、塑性和韌性的材料,應選用Wc=0.30%~0.55%范圍內的鋼材。而各種工具卻需要硬度高,耐磨性好的材料,則多選用Wc=0.70%~1.2%范圍內的高碳鋼。
2.在制訂熱加工工藝方面的應用。
(1)在鑄造方面的應用。從Fe-Fe3C相圖可以看出,共晶成分的鐵碳合金熔點最低,結晶溫度范圍最小,具有良好的鑄造性能。因此,鑄造生產中多選用接近共晶成分的鑄鐵。根據Fe-Fe3C相圖可以確定鑄造的澆注溫度,一般在液相線以上50~100℃,鑄鋼(Wc=0.15%~0.6%)的熔化溫度和澆注溫度要高得多,其鑄造性能較差,鑄造工藝比鑄鐵的鑄造工藝復雜。
(2)在鍛壓加工方面的應用。由Fe-Fe3C相圖可知鋼在高溫時處于奧氏體狀態,而奧氏體的強度較低,塑性好,有利于進行塑性變形。因此,鋼材的鍛造、軋制(熱軋)等均選擇在單相奧氏體的適當溫度范圍內進行。
(3)在熱處理方面的應用。Fe-Fe3C相圖中的三條相變線是確定常用工藝,如退火、正火、淬火的加熱溫度的。
最后,應強調在應用相圖進行分析時,要注意該相圖反應鐵碳二元合金中相的平衡狀態,如果含有其他元素,相圖會發生變化;當加熱或冷卻速度較快時,組織轉變不能只用相圖來分析。
三、結束語
通過這種講授方式,學生能夠掌握鐵碳合金相圖的基本框架,加深了對相圖的認識,能夠對相圖應用自如,分析不同溫度、不同碳含量之下的合金狀態等等,為后續課程的學習打下了基礎。
參考文獻:
[1] 葉紅.“鐵碳合金相圖”教學主線分析[J].機電技術,2012年8月.