《金属材料与热处理》教学中的难点分析

摘要铁碳合金相图的识读和应用是《金属材料与热处理》教学中的一个难点，如何突破难点，达到好的教学效果，是教师经常讨论的问题，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。

关键词力学性能 内部组织 同素异构转变 铁碳合金相图 化学成分

“金属材料与热处理”是技校理论教学课程中一门与生产实践联系比较密切的课程，是机械专业学生学习各专业工艺学与生产实习课的基础。通过对这门课的学习，不仅可以帮助学生掌握常用钢材料的成分、组织、性能及热处理工艺之间的相互关系，同时可以培养学生正确选择和合理使用材料、制订和掌握热处理工艺规范等多方面的能力。

本课程主要包括：①金属的性能；②金属学的基础知识；③钢的热处理；④常用金属材料等内容。其中第二部分金属学的基础知识是整门课程的基础知识，它3介绍金属和合金的晶体结构及其结晶过程；铁碳合金相图的建立、识读和应用。如果这部分基础知识没有掌握好，那么学生对前面所讲的金属性能的知识只会一知半解，而后部分钢的热处理和常用的金属材料的知识就会没办法理解和掌握。所以第二部分知识是这门课程整个教学内容的重点，它起到一个承前启后、画龙点睛的作用：同时由于这部分知识的内容较为抽象（如合金的晶体结构，结晶的过程：铁碳合金相图的建立过程）没有具体实验和教具可以演示，加上技校学生没有实践感性认识的基础，缺少对这部分知识的感知认识，致使在教学中学生学和老师教都存在一定的难度。下面我就这一重难点的突破，作一些初浅的探讨。

一、深入分析，找出突破口

金属学的基础知识这部分内容主要有3个章节的教学内容，学生在学习过程中普遍对第四章“铁碳合金的组织”，“铁碳合金相图的建立、识读、应用”等几个知识点较难理解和掌握，而教师对这部分知识在教学过程也常常出现很难讲明讲透的现象。其实在这个难点的处理上，我们只要深入分析，找出知识贯穿点，就很容易找到突破口。我们可以给学生列一关系式进行分析如图：

碳 组成温度 决定 材料的内部组织

铁 ———— ———— 材料的力学性能

各种微量元素材料的化学成分 材料的选用 

这个关系式清楚地告诉我们材料的选用是根据钢材的力学性能（强度、硬度、塑性、韧性等）来确定的，材料的力学性能是由材料的内部组织来确定的，而内部组织的转变则是由温度变化和材料的化学成分不同而引起的，并且材料的化学成分是由碳、铁和一些微量元素组成，其中变化最大的是碳的含量，决定了材料的内部组织的变化。通过这样分析，学生就很容易理解：为什么含碳量越多钢材的强度越高，而塑性、韧性则降低？因为含碳量的大小改变了材料的内部组织，组织变化必然引起力学性能变化：为什么相同成分的钢材加温到相同高的温度，由于采用不同冷却方式，最终得到力学性能也不同？因为温度变化改变钢材内部组织而引起力学性能变化。很清楚，问题的关键就是钢材内部组织，则钢材内部组织就是难点的切入点。只要了解了铁碳合金内部组织的定义、性能、变化原因，那么识读铁碳合金相图就会迎刃而解。

二、深入浅出，化繁为简

铁碳合金的组织在教科书中介绍较为抽象。例如：固溶体的概念，书上的定义是“一种组元的原子溶入到另一组元的晶格中所形成的均匀固相。”这样的解释很难让学生。例如：固溶体的概念，书上的定义是“一种组元的原子溶入到另一组元的晶格中所形成的均匀固相。”这样的解释很难让学生理解。如果我们在教学过程中，通过实际的例子告诉学生，当纯铁加热到熔化后，碳元素可以溶解到铁水中去，铁水凝固成固态时，碳元素仍被留在铁中，这种在固态下溶解有其他元素的组织叫做“固溶体”，又因为纯铁在固态下有同素异构转变，即有α-Fe和γ-Fe两种晶格，其对碳元素的溶解能力不同，所以就形成了两种固溶体，分别叫做“铁素体”和“奥氏体”，它是铁碳合金基本组织中的两个组织。这样解释，学生的思路就会很清晰，将复杂的抽象的概念简单化，很容易理解和掌握知识并收到良好的教学效果。同样在分析铁碳合金相图时，我们也可以先将图中标注的铁碳合金组织化繁为简，采用简单易懂的语言、文字来讲解铁碳合金组织的定义。并将其归纳如下表： 铁碳合金组织

组织名称符号组织类型含碳量晶格类型力学性能

铁素体F固溶体0~0.0218％α-Fe体心立方晶格近似于铁，温度、硬度不高，塑性、韧性良好

奥氏体A固溶体0.77％~2.11％γ-Fe面心立方晶格强度、硬度不高，塑性好（易锻造）

渗碳体Fe3C金属化合物0.69％斜方晶体硬而脆，塑性、韧性很差

珠光体P机械混合物0.77％α-Fe体心立方晶格介于铁素体和渗碳体

高温莱氏体Ld机械混合物4.3％γ-Fe面心立方晶格介于奥氏体和渗碳体

低温莱氏体L’d机械混合物4.3％α-Fe体心立方晶格介于奥氏体和渗碳体

通过对合金组织的分析，让学生掌握了铁碳合金组织的概念、性质，同时也要让学生了解铁碳合金组织是如何随温度变化而发生转变的，在这个难点的突破方法上，教师可以以“金属同素异构转变”这个知识点作为切入口。我们知道金属在固态下随温度的改变；由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。以纯铁为例，液态纯铁在1538℃进行结晶，得到具有体心立方晶格δ-Fe，继续冷却到1394℃时发生同素异构转变，δ-Fe转变为面心立方晶格γ-Fe，再冷却到912℃时又发生同素异构转变，γ-Fe转变为室温体心立方晶格的α-Fe。由于金属晶格存在着随温度改变而发生晶格变化的特性，导致金属组织随温度的变化而发生转变。以铁碳合金组织为例，铁碳合金组织是由基体纯铁和碳组成，温度变化使基体纯铁晶格发生转变，不同晶格的基体和不同含量的碳组合，就会出现不同的铁碳合金组织，这就是铁碳合金组织会随温度变化而产生变化的原因。清楚这点后，我们再对照看铁碳合金相图就一目了然。温度、含碳量、材料组织、力学性能等，在图中就能分析得很清楚。例如：温度为600℃，含碳量为4.6％的钢材的组织是Ld+Fe3C-莱氏体+渗碳体，力学性能是脆而硬的组织。而含碳量为0.45％的钢材室温组织为F+P-铁素体+珠光体，这种组织的力学性能是有一定强度、硬度、并具有良好的塑性、韧性。

三、归纳总结，加深理解和记忆

前面我们将重点、难点的知识内容作了具体分析讲解，为了加深学生对这部分知识点的理解和记忆，达到更好的教学效果，最后还可以将金属的基础知识这部分教学内容归纳小结为：

1、金属的晶体结构是由原子有规则的排列所形成，原子排列的具体方式不同，便组成了几种不同类型的晶格（体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格）。

2、纯铁组织中不同类型晶格对碳元素的溶解能力不相同，形成不同类型的铁碳合金基本组织。

3、纯铁在固态下，随温度转变会出现不同的晶格类型。这种现象称为同素异构转变。

4、铁碳合金的5种基本组织（铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体）由于各自基体中的含碳量不同，表现出来的力学性能就不一样，组织之间会随温度改变而发生相互之间的转变。如：含碳量为0.77％的钢，在8000℃时的组织是奥氏体，而在室温下组织转变为珠光体。转变的原因是由于铁碳合金的基体铁发生同素异构转变。

5、铁碳合金相图是表示铁碳合金成分、组织和温度三者之间相互关系的图表，图中标明铁碳合金组织的变化，主要受含碳量和温度的改变而发生变化。

6、铁碳合金相图主要应用在钢材料的选用和热加工工艺的制订两方面。教学难点的突破，关键在于教师教学得法，引导有方。除了将难点分散讲解，化繁为简，解决问题外，最后还应善于总结归纳，找出重点，以加深学生对知识的理解和记忆。对教学中难点的处理，在教学中有许多种方法，我们针对学生的基础差异、专业学科的不同情况，在现实教学过程中不断摸索和探讨，找出有效的教学方法。