金属材料与热处理课程教学中铁碳合金基本组织与性能

　　摘 要：＂铁碳合金基本组织与性能＂一节主要介绍了铁碳合金基本组织的五个基本相及其性能特点，在金属材料与热处理课程教学中是非常重要的一节内容，也是一个难点。如何解决这个难点，用什么方法教学，才能使学生好理解，是需要教师探讨的问题。本文通过分析，对解决这一难点提出一些见解和解决方法。
　　关键词：铁碳合金 基本组织 性能 教学
　　金属材料与热处理是机械专业一门十分重要的基础课，学生比较难以掌握。对于金属材料与热处理课程的教学和学习，大多数教师和学生都会倍感头痛。主要原因有四个方面：一是这门课程的内容相对比较枯燥而抽象，特别是有很多的名词、概念都是纯粹的金属材料与热处理行业中的专业名词，大部分学生平时学习生活中很少接触，会对其感觉比较陌生、比较难以理解；二是多数学校的金工实验室及实验设备不够完备，不能完全满足教学需要，很多课本上的实验因实验条件限制无法完成，造成有些内容既看不见也摸不着，不易于学生理解记忆；三是单纯的理论教学难以使学生对课程内容有完整的直观认识，导致学生的学习、理解和掌握受到限制，对课程的学习兴趣降低，甚至产生排斥、畏惧、厌学心理；四是课程主要是研究金属材料的成分、组织、热处理，以及金属材料性能之间的关系和变化规律，这实际是一个动态的过程，仅仅靠单纯的理论教学难以把知识点讲透，使教学和学习过程更加困难。
　　在金属材料与热处理课程的知识点中，金属学基础知识是整门课程的基础，它介绍了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。学生如果对金属学基础知识掌握得不好，就会对金属性能的知识一知半解，更无法理解和掌握钢的热处理和常用的金属材料的知识。而＂铁碳合金基本组织与性能＂是金属学基础知识课程中非常重要的一节内容。铁碳合金基本组织与性能的这部分知识点是该课程后续学习其他许多知识章节的基础，是分析铁碳合金组织、判断其性能的重要依据，特别是对铁碳合金相图的分析也是非常重要的知识点。同时，由于铁碳合金基本组织涉及的理论较抽象，新概念、新名词比较多，无论是教还是学，师生都感到有相当的难度。结合平时上课的经验和课下与教研室多位老师的探讨，对于这个知识点教学方法进行了如下分析。
　　一、认识铁碳合金的基本组织
　　一般在教学中，教师往往会按教材编写的顺序，直接从铁碳合金的基本组织的各个定义开始讲。由于全都是刚刚接触到的新名词，学生会感觉较抽象、难理解，往往就像掉进了＂迷魂阵＂，教学效果可想而知。想要解决这一问题，不妨先让学生去了解铁碳合金基本组织的＂形状＂。可先将铁碳合金的组织图挂在黑板上，像制图教师讲解零件图那样来介绍组织图，对每个基本组织的定义形象地进行讲解。例如，因为纯铁在固态下具有同素异构转变的特性，即在一定条件下，能转变成＂α-Fe＂和＂γ-Fe＂两种晶格，根据这两种晶格对碳元素的溶解能力不同，形成了两种固溶体，分别叫作铁素体和奥氏体，它们是铁碳合金五个基本组织中的两个。这样解释，复杂的、抽象的概念被简单化，学生的思路就会很清晰，很容易理解和掌握知识，并收到良好的教学效果。在这个环节的讲解中要注意与前面讲的＂合金及其组织＂紧密衔接，这就要求学生对前面的知识应熟练掌握，可以通过课前复习和教师提问来达到教学目的。
　　讲解过程中，教师可以把铁碳合金的五种基本组织进行分类。铁素体、奥氏体都是单相组织，渗碳体是金属化合物，也是单相组织，所以把铁素体、奥氏体、渗碳体这三种相称之为铁碳合金的基本相，通俗地讲，就是基本的组成单元。珠光体和莱氏体是有基本相组成的多相组织，其中珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，莱氏体是奥氏体和渗碳体的混合物，也就是说，珠光体和莱氏体分别都是由铁素体、奥氏体、渗碳体这三种基本相中的两个基本相分别相混合而组成的混合物。以往讲解到这一部分时，学生往往会因为名词比较抽象而难以理解，这时采用像数学老师讲＂加法＂一样的方法来进行讲解，可把珠光体和莱氏体的形成过程看作＂铁素体+渗碳体=珠光体＂和＂奥氏体+渗碳体=莱氏体＂这两个简单数学运算式子。
　　其中，奥氏体存在于727℃以上，属于高温组织，无室温组织，莱氏体中的奥氏体在室温下会转变成珠光体。所以，室温下的莱氏体实际是由珠光体和渗碳体组成的，即可看作＂铁素体+渗碳体=珠光体＂和＂奥氏体+渗碳体=珠光体+渗碳体=莱氏体＂。
　　通过用这样一些简单的＂加法＂式子，使比较抽象的名词聚会，变成一个极其简单且直观的数学运算，使学生很容易就理解了铁碳合金的五种基本组织的基本相之间的相互关系，并很容易就掌握了铁碳合金的基本组织。当然，珠光体、莱氏体的形成过程是一个时间过程中的组织变化的过程，这一点应对学生讲解清楚。
　　二、理解铁碳合金的基本组织的性能
　　含碳量影响铁碳合金的性能，含碳量越多铁碳合金的强度、硬度越高，而塑性、韧性则降低。铁碳合金的基本组织铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体由于其各自基体中的含碳量不同，其力学性能自然就不一样，组织之间会随温度改变而发生相互之间的转变。讲解铁碳合金的基本组织的性能时，首先要先给学生讲清楚铁素体、奥氏体、渗碳体这三种单相基本相的性能。铁素体是体心立方晶格，晶格间隙小溶碳能力差，故含碳量少，具有良好的塑性、韧性，较低的强度、硬度；奥氏体是面心立方晶格，晶格间隙较大，溶碳能力强，故奥氏体含碳量适中，所以具有一定的强度、硬度，但却不高，具有良好的塑性，尤其具有良好的锻压性能。而渗碳体是含碳量6.69%的铁与碳的金属化合物，具有金属化合物的特征，它有复杂的斜方晶格，具有高含碳量，所以具有高熔点，高硬度，塑性和韧性几乎为零，脆性极大的特点。剩下的珠光体和莱氏体都属于混合物，它们的性能特点是由各自的构成相的性能来决定的。对于珠光体来说它是铁素体和渗碳体的混合物，而莱氏体则是奥氏体和渗碳体的混合物，所以仍然可以用＂加法＂的原则来给学生讲述。对于珠光体来说，＂铁素体（单相，所占比例较大）+渗碳体（单相，所占比例较小）=珠光体（混合物）＂可以换算成＂（良好的塑性、韧性，较低的强度、硬度）+（高熔点，高硬度，塑性和韧性几乎为零，脆性极大）=（强度较高，硬度适中，有一定的塑性，具有较好的综合力学性能）=珠光体的性能＂，这里把珠光体的性能看成铁素体与渗碳体各自性能的综合。莱氏体的性能可以看成是＂奥氏体（所占比例小）+渗碳体（基体所占比例较大）=莱氏体（混合物）＂，可以换算成＂（含碳量适中，具有一定但不高的强度、硬度，具有良好的塑性，尤其具有良好的锻压性能）+（高熔点，高硬度，塑性和韧性几乎为零，脆性极大）=（具有很高的硬度，而塑性、韧性极差的性能）=莱氏体的性能＂。这里把莱氏体的性能看成奥氏体和渗碳体各自性能的综合，因为奥氏体在室温下会转变成珠光体，且在其中所占的比例较小，渗碳体是基体组织且所占的比例较大，故莱氏体具有接近于渗碳体的性能特点，即具有很高的硬度，而塑性、韧性极差。
　　三、运用网络及多媒体辅助教学，提高课堂教学效率
　　随着现代教学手段的发展，特别是网络、计算机教学模式的发展，教学手段越来越丰富，教师可以利用网络、多媒体、云课堂、微课堂等多种先进教学手段，来弥补教学中实验条件不足的困窘。对于各种铁碳合金的基本組织与性能这部分知识的教学，可利用计算机教学软件制作一些铁碳合金基本组织的三维视图、动画、微课等，直接模拟显示出其组织形态、晶格特征，通过控制演示过程，将一些难以想象和描绘的形成过程用直观的演示显现出来，促进了学生的理解，强化了学生的记忆。采用动画进行动态演示和微课堂辅助教学等多媒体教学方法，可以使教学中对知识点的讲解深入浅出，使复杂的问题简单化，使深奥的道理浅显化，使枯燥的内容变得生动形象，让学生们在学习的过程中有一种身临其境的感觉，更能够加深学生对问题的直观理解，从而使学生对铁碳合金的基本组织及其性能特征在视觉上有一个感性的认识。这种教学方法比较直观，可以充分调动学生的学习积极性，有助于对问题的理解，并且教学成本也不高，起到了较好的辅助教学的效果，极具教学的广泛性和实用性，深受学生欢迎。
　　经过长时间的教学实践证明，利用以上教学方法开展对铁碳合金的基本组织及性能这一知识点的教学，使抽象的难以理解的金工专业名词，变成了易懂、易理解的数学加法运算；其中声、像、文、图并茂的教学信息，使学生学习起来容易；教学中运用的一些小窍门，使学生能快速记忆。因此，为了达到良好的教学效果，教师应在有限的条件下不断努力创新，通过多层次的教学设计，以多种新奇的教学方法来吸引学生对这门课程进行探究，将课本上的概念转化为生活中的常识，激发学生对这门课的学习兴趣，做到兴趣教学，充分调动学生的主观能动性，寓教于乐，使学生在学习的过程中找到乐趣，从而将金属材料与热处理这门课程学好。