李妙玲

(洛陽理工學院 機械工程學院，河南 洛陽 471023)

基于分步誘導和互動討論的鐵碳合金相圖教學實踐

李妙玲

(洛陽理工學院 機械工程學院，河南 洛陽 471023)

為了建立高效的教學結構模式，將分步誘導和互動討論方法引入鐵碳合金相圖教學實踐中。首先解決為什么學習相圖的問題，再以相圖在粉末冶金材料制備中的經(jīng)典妙用作鋪墊，誘導學生的學習興趣?；佑懻摲绞浇⒃谧寣W生觀察相圖、提出問題的基礎上，教師圍繞問題講解，讓學生記錄重要數(shù)據(jù)，并復述重要數(shù)據(jù)表達的意義，繪制相圖、推導組織，實現(xiàn)理解記憶。這是一種將相圖基礎知識、鐵碳合金相圖繪制技巧、組織演變規(guī)律融合在一起高效教學方法。

分步誘導；互動；討論；鐵碳合金相圖；組織

鐵碳合金相圖是長期生產(chǎn)實踐和科學實驗的結晶，是分析鋼和鑄鐵化學成分、顯微組織與性能關系的重要工具，是機器零件選材、確定熱處理及鑄鍛焊工藝的理論依據(jù)。全面掌握了該相圖，對金屬材料及其熱處理相關內(nèi)容的學習就會非常輕松，為今后從事機械設計制造工作或研究開發(fā)新材料、新工藝奠定良好的基礎。

在教學過程中，老師都會把鐵碳合金相圖作為重點內(nèi)容講解，并要求學生記住。但該相圖中點、線、相區(qū)較多，機械記憶很難、且容易忘記，還會使學生產(chǎn)生畏難情緒，失去學習興趣。如何透徹地講解鐵碳合金相圖，并使學生理解、記憶、正確運用相圖解決實際問題一直是教學中必須思考和探討的問題。

在教學實踐中，課題組教師采用了鋪墊誘導、分步滲透、互動式討論等教學方法，激發(fā)學生的學習興趣，將相圖基礎知識、鐵碳合金相圖繪制技巧、組織演變規(guī)律融合滲透在一起，達到融會貫通、自我學習的目的。

1 鋪墊誘導引出鐵碳合金相圖

相圖本身就是一個抽象的概念，鐵碳合金相圖又很復雜，直接講解會使學生覺得突兀、難以接受。所以在講解鐵碳合金相圖之前，需要做足夠的鋪墊。

首先，為什么要學習相圖？由于合金的結晶過程遠比純金屬復雜，同一合金系中元素比例不同將導致材料微觀組織結構和性能的迥異。為了給機械制造專業(yè)技術人員提供選材依據(jù)、為材料科技工作者提供研究理論依據(jù)，科技工作者在長期科學實驗和生產(chǎn)實踐檢驗的基礎上繪制了各種合金系在及其緩慢冷卻條件下的結晶過程圖。

但是，語言的闡述不論多么生動，還是難以引起學生的興趣。為此，老師們在課堂上以最簡單的銅鎳合金為例，配置一系列不同成分的合金，測出各合金的冷卻曲線，繪制在時間-溫度圖中。反問學生“可否將所有成分的銅鎳合金全部配置并測定冷卻曲線呢？”同學們一致認為這是不現(xiàn)實。此時，課堂氣氛活躍起來，老師和同學們達成共識：科學實驗的目的是找出規(guī)律，指導生產(chǎn)實踐，而不能窮盡實驗。教師不失時機地引導學生從冷卻曲線圖上找出所有合金的結晶開始溫度和結晶終了溫度，不考慮結晶時間的情況下，連接相同意義的相變點，就得到了溫度-成分坐標系中的銅鎳合金相圖。學生們很快接受了相圖的意義和用途，并認為相圖原來不神秘。

然后，以相圖的神奇妙用吸引學生。相圖的應用體現(xiàn)在結晶過程定性描述、相(組織)成分定量計算及其指導零件選材、制造工藝等方面。課本上對某成分合金的結晶分析過程雖然圖文并茂，但都是局限在結晶轉(zhuǎn)變示意圖上，或給出結晶后的顯微組織圖像。為了讓學生確實明白分析結晶過程的重要性，特意引入中科院金屬材料研究所王崇琳教授著的《相圖理論及其應用》，王教授在“制取粉末高速鋼”時，他從鐵碳合金相圖中注意到了碳含量每提高0.1%，固相線溫度下降10℃，于是通過控制碳加入量來確定燒結溫度范圍，使粉末高速鋼的生產(chǎn)制備得以穩(wěn)定進行。看著展示在面前的鐵碳合金相圖，學生無不佩服王教授，同時認識到了相圖學習的重要性[1-2]。

最后，以公式推導帶動學生。理工科的學生最擅長的是計算，在相圖學習中他的用武之地就是杠桿定律，一定要以此為切入點，激發(fā)學生的求知欲，讓學生有學習的成就感。先帶領學生分析杠桿定律的推導過程，再舉例計算不同組分在不同溫度時的質(zhì)量百分比。學習杠桿定律階段以Pb-Sn合金為例，等到鐵碳合金相圖引出后，就給學生假定角色，或作為材料檢驗員、或作為新材料研發(fā)人員、或者售后服務人員，提出工作中遇到的難題等，令學生從不同的角度利用杠桿定律為自己的工作服務。通過模擬角色，杠桿定律在應用中的重要性和關鍵點就暴露出來了，學生在不斷的解決問題中成長起來。

2 互動式討論掌握鐵碳合金相圖

互動式討論鐵碳合金相圖仍是當仁不讓的主角。這張點、線、相區(qū)繁多的相圖可能會嚇倒同學們，教學中采用的互動討論的方式逐步引導深入掌握。

首先，簡化相圖。鐵碳合金相圖左上角的包晶反應部分在高溫區(qū)，對應的組分區(qū)間小，但極大的增加了相圖理解的難度。教學中，將此部分略去，不影響相圖分析和應用[3]。

然后，讓學生們觀察相圖，指出相圖中不認識字母和符號。F、A、P、Fe3C、Ld、Ld′，一一被學生指出來。知道自己不認識就要弄懂了，學生開始主動在書中找答案。老師要引導學生先掌握三種基本相：F、A、Fe3C，各自的晶格結構類型、含碳量、相變溫度，同時復習前述課中講過的固溶體、金屬化合物的性能；再將學生引導到兩種復合相P、Ld(Ld′)學習中，同時復習共晶反應、共析反應、彌散強化等概念。此時，教師要求學生在紙上記下概念中涉及到的重要溫度、含碳量，邊寫邊提問大家“此溫度和含碳量多少的鐵碳合金有聯(lián)系、出現(xiàn)什么反應、組織是什么？”很快，學生就熟悉了這些字母符號代表的相或組織。

第三，動手繪制相圖。先讓學生回顧相圖概念：銅鎳合金為例的相圖是如何得到的？它是溫度-成分坐標系中相同相變意義點連線形成的合金結晶過程簡明圖解。明確之后，開始和老師一起繪圖。

①先畫出坐標系：橫坐標為碳含量，縱坐標為溫度；在(左、右)縱坐標上標出學習基本相和復合相時記憶下來的溫度(200、727、912、1148、1538、1227℃)點；在橫坐標上標出碳含量特殊成分(0.0008、0.0218、0.77、2.11、4.3、6.69)%點。

②回顧溫度和含碳量的特殊對應點：Q(0.0008，200℃)—室溫下鐵素體中碳的溶解度為0.0008%；P(0.0218，727℃)—727℃時鐵素體中碳的溶解度達到最大值0.0218%，含碳量大于0.0218%的鐵碳合金就會出現(xiàn)共析反應；S(0.77，727℃)—含碳量為0.77%的鐵碳合金是共析鋼，727℃是共析溫度，此時奧氏體含碳量最低；E(2.11，1148℃)—1148℃時奧氏體中碳的溶解度達到最大值2.11%，含碳量大于2.11%的鐵碳合金就會出現(xiàn)共晶反應；C(4.3，1148℃)—含碳量為4.3%鐵碳合金是共晶組織，1148℃是共晶溫度；D(6.69，1227℃)—含碳量6.69%的鐵碳合金全部是Fe3C組織，F(xiàn)e3C的熔點是1227℃；G(0，912℃)—純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度；A(0，1538℃)—純鐵的熔點。

③連接具有相同相變意義的點：727℃是共析溫度，含碳量大于0.0218%的鐵碳合金就會出現(xiàn)共析反應，這是第一條水平線—共析線PSK；1148℃是共晶溫度，含碳量大于2.11%的鐵碳合金就會出現(xiàn)共晶反應，這是第二條水平線—共晶線ECF；純鐵熔點A、Fe3C的熔點D為液固分界點，共晶點C同樣為液固分界點，連線ACD即為液相線；同時，E點共晶反應開始，液固轉(zhuǎn)變結束，連線AE即為固相線；E點奧氏體中碳的溶解度最大2.11%，S點奧氏體中碳的溶解度最小0.77%，連線ES就是C在奧氏體中的溶解度變化線；G點γ-Fe轉(zhuǎn)化為α-Fe，發(fā)生同素異構轉(zhuǎn)變，S點奧氏體(γ相)全部轉(zhuǎn)化為珠光體(F+Fe3C，F(xiàn)即是α相)，而P點奧氏體(γ相)全部轉(zhuǎn)化為F(α相)，這樣連接GS就是奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的開始線，連接GP就是奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的終了線；連接PQ自然就是碳在鐵素體中的溶解度變化線。

至此，相圖連線繪制完畢，剩余就是標注相區(qū)產(chǎn)物和記憶相圖。相關文獻將相圖聯(lián)想為小鳥，很有想象力，值的借鑒[4]。但關鍵還要靠理解。教學中采用從自上而下(液相→液固共存→固相→二次析出相)，按照反應類型(勻晶、共析、共晶、二次析出等)和組織演變規(guī)律把組織產(chǎn)物推導出來。同時，采用從左到右(工業(yè)純鐵→鋼→鑄鐵)，根據(jù)含碳量的不同(0%～0.0218%～0.77%～2.11%～4.3%～6.69%)，推導組織，利用多媒體展示圖片，引導學生觀察顯微組織變化，并逐步把組織與其性能聯(lián)系起來，再穿插材料應用的相關例子，使學生在應用中學習，達到事半功倍的效果。

3 結論

鐵碳合金相圖是機械工程材料課程教學中的重點，應用廣泛。后續(xù)課程機械設計、機械制造工藝等課程都要應用，他是學生完成課程設計、畢業(yè)設計的重要知識體系，用人單位在招聘考試中也常提到有關相圖的內(nèi)容，近機械類專業(yè)的學生在今后的工作和深造中更是離不開相圖知識，只有學會并理解了相圖的內(nèi)涵，才能舉一反三、融會貫通。

經(jīng)過教學實踐的檢驗，只有多種方法并舉，將相圖基礎知識、鐵碳合金相圖繪制技巧、組織演變規(guī)律融合在一起，以讓學生理解記憶、自我學習為目的，才能收到良好的教學效果。

[1] 王崇琳.相圖理論及其應用[M].北京：高等教育出版社,2008.

[2] 李祖德.相圖分析在研發(fā)粉末冶金材料中的重要作用—《相圖理論及其應用》有關章節(jié)學習筆記[J].粉末冶金技術,2011,29(6):463-467.

[3] 王堯杰,修淑英.鐵碳合金相圖的繪制[J].新技術新工藝,2011(8):137-138.

[4] 劉敏惠.分步輕松掌握Fe-Fe3C相圖[J].黑龍江科技信息,2010(22):186.

(本文文獻格式：李妙玲.基于分步誘導和互動討論的鐵碳合金相圖教學實踐[J].山東化工,2017,46(5):127-128.)

Teaching Practice on the Iron-carbon Alloy Phase Diagram Based on Step by Step Induction and Interactive Discussion

LiMiaoling

(Department of Mechanical Engineering,Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023,China)

In order to establish an efficient teaching mode,step by step induction and interactive discussion were introduced into the teaching practice on the iron-carbon alloy phase diagram.The problem,why studying the phase diagram,was first solved.The application of the iron-carbon alloy phase diagram in the preparation of powder metallurgy materials was given as an example.This stimulates the interest of students in learning.The interactive discussion was executed after the students were asked to observing the phase diagram and raising some questions.When a teacher was explaining an issue,the students must have recorded the important data.Next,the students were asked to retell the significance of the data,to draw the phase diagram and to deduce phase structures.This helps students to understand and memory the phase diagram.The method realizes such an integration with basic knowledge of phase diagrams,drawing skills of the iron carbon alloy phase diagram and evolution rules of phase structure.

step by step induction;interactive;discussion;the iron-carbon alloy phase diagram;phase structure

2017-02-06

河南省教育廳自然科學研究計劃項目(2011B430016)

李妙玲(1970—)，女，河南洛陽人，博士，副教授，主要從事機械制造及其自動化專業(yè)的教學和科研工作。

G642.4

B

1008-021X(2017)05-0127-02