固态相变课程图解讲授法的研究

刘慧敏 楠 顶 张瑞英 史志铭

内蒙古工业大学材料科学与工程学院 内蒙古呼和浩特 010051

固态相变，顾名思义就是在固态下发生的相变，而如何描述固态？对于合金而言，采用合金相图比较直观，即在固相线下方的相区部分为固相区，合金状态处于固相区的即为固态。如果固相区部分的线条越多、划分的次一级相区越多，固态相变发生的可能也越多；反之，如果固相线下方只有溶解度曲线，而且曲线的斜率变化很小(溶解度变化很小)，则发生固态相变的可能也越小[1-3]。上述内容不加图解、只用文字描述，显得枯燥无味、不易被学生理解，更不利于学生自学或阅读。利用合金相图等研究金属材料的重要教学工具，采用图解讲授法，解释上述内容有利于学生的理解和掌握。合金相图能够给出不同成分的合金在不同温度条件下的平衡状态，在不同的相区的相组成以及在加热或冷却时可能发生的相变等信息。

金属材料虽然具有金属光泽，但是不透明[4]。所以即使在金属材料内部发生了固态相变，材料组织结构都发生了变化，从外部也观察不到固态相变前后的任何变化。假设金属材料具有透明性，其晶体结构也是无法看清楚的，因为原子在空间的排列方式趋于紧密，很难看清原子尺度上的排列方式。固态相变这门课程，是讲解材料内部的、肉眼看不到的微观组织与结构的变化，所以需要用图解和显微镜照片作为辅助教具，才能让学生容易理解和掌握。合金相图就是满足这一需求的图解，如前所述，在合金相图的固相线以下有无其他线条(可以理解为固态相变线)，若有，该合金可以作为固态相变课程的选材对象，另外还可以看出相图的两端的纵坐标上除了金属熔点以外，有无其他相变点，若有，该点一定能够向相图内部延伸。当纯金属(可理解为一元合金)中加入一种合金元素后变成二元合金，从数学的角度理解的话，一维坐标(数轴y)变为二维坐标(x-y坐标系)，相应地y轴上的点(相变点)变成x-y坐标系中一条曲线(相变线)的起始点。因此可知，起始点(纯金属的同素异构转变点)越多，相图中的线条(相变线)也越多。一维的点延伸成二维的线，二维的线条将x-y坐标系划分为若干个封闭区域，构成了不同的相区。相图中的每一个点、线、区都有特定的含义。

1 纯铁同素异构转变及磁性转变的图解讲授法

图1为纯铁的冷却曲线及晶体结构变化示意图[5]。4个水平线(平台)均表示纯铁的相变过程。由图1可知，纯金属的相变是在恒温下进行的，其中1 538℃是纯铁的熔点，凝固/结晶点(注意：讨论冷却曲线时，一般不涉及升温过程)；1 394℃(A4)和912℃(A3)为纯铁的同素异构转变点，分别发生的转变，同素异构转变属于一级固态相变，770℃(A2)为纯铁的居里点，发生顺磁性(高温)铁磁性(低温)，磁性转变属于二级固态相变，即在磁性转变过程中不发生体积和熵值的突变，晶体结构类型不变。5个斜线部分均表示温度变化(降温)的过程，期间没有发生相变现象，纯铁处于一种状态，从高温到低温分别是液态，δ-Fe(bcc)，γ-Fe(fcc)，无磁性α-Fe(bcc)，有磁性α-Fe(bcc)。两种状态必定由一种相变分割的，相应的两个相区必定由一条相变线分开，在熔点以下的相变均属于固态相变。

图1 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化

2 铁碳二元合金的固态相变的图解讲授法

冷却曲线和合金相图有着一定的依赖关系。制作相图之前，先绘制/测试一系列不同成分的合金的冷却曲线，以冷却曲线为依据，在温度—成分坐标系中将含义相同的点连接起来构成的合金相图中的线条；反之如果在已知相图的条件下，也可绘制不同成分合金的冷却曲线[6]。图2为铁碳二元合金相图的左端，纵坐标上的特征点A，N，G对应图1冷却曲线的温度点1 538℃，1 394℃，912℃，各个点的含义同图1中的含义。Q点表示600℃时C在Fe中的溶解度为0.005 7%，由于数值非常接近原点(超过了肉眼能够分辨的范围)，所以产生Q点落在y轴上的错觉，但事实上Q点不属于y轴上的点，它应该是相图中的一个表象点，对应600℃的离y轴很近的一个表象点。

固相线AHJEC下方有NH，NJ，GS，GP，ES，PQ，PS等7条线将整个固相区划分为δ，γ，α3个单相区和δ+γ，γ+α，γ+Fe3C，α+Fe3C4个双相区，外加1个PS三相区(γ+α+Fe3C)，共8个固相区。相邻的相区之间界限就是相变线，铁碳合金如果从一个相区转到另一个相区，相当于成分垂线与相变线产生交点时，发生固态相变，之后再进入相应的相区，所以有必要掌握哪些位置(线条)上发生哪些固态相变。

(3)ES：Fe3CⅡ的析出(降温过程)与回溶线(升温过程)，；

(6)PQ线：Fe3CⅢ的析出(降温过程)与回溶线(升温过程)，。

图2 铁碳二元合金相图(左端)

3 结语

图解讲授方法，简单理解就是看图讲解结构相变。将图中的每一个特征点、每一条线或每一个单元的含义及其之间的关系一一解释清楚，即为图解讲授方法，适合用于肉眼看不见的微观世界中发生的变化及其过程的讲解。如在固态相变及材料物理等课程的讲授过程中，采用图解讲授方法，不仅能够获得良好的教学效果，而且有利于学生理解和师生互动。希望图解讲授方法能够被广泛推广于教学过程中。