C曲線案例教學工程材料論文
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1案例講解
如果照本宣科，把C曲線內(nèi)容作為孤立的知識點講授，學生對C曲線的物理意義和工程應(yīng)用仍然理解不透。針對C曲線的兩個教學內(nèi)容，選擇適當?shù)墓こ?a href="http://www.mug-factory.cn/lunwen/gccl/53962.html" target="_blank">案例講解，可取得事半功倍的效果。
案例一：錘頭加工每個學生在金工實習中都曾親手制作了手錘。其中錘頭的加工過程是：選材—下料—鍛造—退火（正火）—刨削加工—鉗工—淬火—低溫回火—發(fā)黑。根據(jù)錘頭的使用要求，選用45鋼，其C曲線。45鋼退火（爐冷）得到的組織是P+F，正火（空冷）得到的組織是S+F，淬火得到的組織是M，回火后得到的組織是回火M。退火、正火組織相對于M而言，強度硬度低，往往作為預(yù)備熱處理，在粗加工前調(diào)整材料硬度，便于材料切削加工；同時還可以消除應(yīng)力，細化晶粒，為后續(xù)熱處理作組織準備。淬火作為最終熱處理，提高材料的強度硬度，滿足使用性能要求。低溫回火則是消除淬火組織的殘余應(yīng)力。正火組織硬度稍高于退火組織，但生產(chǎn)周期短，操作簡便，成本低，如果能滿足切削加工性能，從經(jīng)濟性角度考慮，可用正火代替退火。以學生熟悉的例子，通過產(chǎn)品制造的全過程來展示不同熱處理方式的選擇及其在工藝過程中的順序安排，很好地詮釋了切削加工與熱處理的關(guān)系，使學生加深了對熱處理“四把火”的理解，同時又能把所學的各科知識有機聯(lián)系，融會貫通，對生產(chǎn)過程有了整體的概念。
案例二：“風鋼”的來歷學生在金工實習時已經(jīng)使用并熟悉車刀、銑刀、麻花鉆等工具，知道這些工具是用高速鋼制造的。但為什么與低合金工具鋼不同，高速鋼淬火后需要多次回火？為什么高速鋼在生產(chǎn)現(xiàn)場又往往被稱為“白鋼”“鋒鋼”“風鋼”？從顏色和力學性能，很容易解釋前兩種說法，即：高速鋼呈現(xiàn)銀白色；與硬質(zhì)合金相比，它強度高，韌性好，做成的刀具可以刃磨得更鋒利。但風鋼的說法和多次回火問題涉及淬透性和殘余奧氏體的概念，要用C曲線來解釋。影響C曲線在坐標系中位置的因素主要是材料的含碳量和合金元素含量。含碳量增加，亞共析鋼的C曲線右移，過共析鋼的C曲線左移；除元素Co外，所有合金元素都使C曲線右移。曲線右移意味著材料淬火時獲得馬氏體的最小冷卻速度下降。案例中的高速鋼牌號為W18Cr4V，含有大量的合金元素，其C曲線大大右移，在空氣中冷卻即所謂“空淬”就可獲得馬氏體，這就是高速鋼又稱風鋼的原因。學生通過“空淬”明白了C曲線左右位置的物理意義后，就能舉一反三，很容易理解和掌握碳鋼用“水淬”，低合金結(jié)構(gòu)鋼用“油淬”的道理，實現(xiàn)知識的遷移。含碳量增加，C曲線中馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度Ms和馬氏體轉(zhuǎn)變終止溫度Mf的位置下移；除Co、Al外，合金元素都使Ms和Mf的位置下移。當Mf低于室溫，意味著室溫時材料的殘余奧氏體增多。W18Cr4V中含有大量的合金元素，馬氏體轉(zhuǎn)變終止溫度很低，過冷奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變不充分，殘余奧氏體很多，影響刀具的強度和硬度，因而需要多次回火來減少和消除殘余奧氏體。課堂教學時以生產(chǎn)制造中廣泛使用且為學生熟悉的高速鋼為例講解，使理論問題具體化、通俗化[3]，學生對C曲線的物理意義更容易理解。
2課堂討論
通過上面的案例講解，學生已經(jīng)對C曲線有了一定的了解，為解決較為復(fù)雜的實際工程問題作了一定的知識儲備。為了讓學生能夠更加強化相關(guān)概念，并且將知識轉(zhuǎn)化為能力，還可以引用復(fù)雜一些的案例，就相關(guān)問題提出思考題，讓學生自己課下查找資料。例如，汽車后橋齒輪受力復(fù)雜，承受的沖擊載荷大，一般選用滲碳合金鋼制造。滲碳合金鋼含碳量低，塑性韌性好，可滿足齒輪的心部對塑性韌性的要求；滲碳處理增加了材料表面的含碳量，淬火后提高了表面的強度硬度，滿足齒輪耐磨性要求。齒輪加工過程是：下料—鍛造成型—正火—粗加工（銑齒）—滲碳—淬火—低溫回火—精加工（磨齒）。在最后一道工序磨齒加工中有時會出現(xiàn)齒輪表面燒傷現(xiàn)象，導(dǎo)致前功盡棄，齒輪報廢。針對這個工程案例，向?qū)W生提出一些問題：燒傷是由磨削工序本身引起的，還是由前面的熱處理造成的？如果是最后一道工序引起燒傷，那是砂輪選擇不恰當，還是磨削參數(shù)不合理或是冷卻不充分？如果是熱處理不當，究竟是正火過程還是滲碳過程出了問題？如果是滲碳引起了燒傷，如何合理解釋其中的原因？如何設(shè)定實驗方案，來驗證對燒傷原因的推理判斷？這樣層層推理式的提問，會刺激學生探究真相的欲望，主動思考問題查找資料，為下次的課堂討論做準備。問題的答案不唯一，其中可能的一種答案與C曲線密切相關(guān)。滲碳時爐內(nèi)氣氛控制不當，造成齒輪表面含碳量過高，根據(jù)C曲線可知，在緊接的淬火過程中一定會引起馬氏體轉(zhuǎn)變不充分，齒輪表面殘余奧氏體過多，而過多的殘余奧氏體正是后續(xù)磨削過程中造成燒傷的主要原因。這就是所謂的工藝遺傳。只有學生有一定的理論基礎(chǔ)后，又經(jīng)過了積極思考和廣泛收集資料的課堂討論，才不會流于形式，才可以撞出火花。答案的多樣性，討論辨析的過程，極大地提高了學生分析問題、解決問題的能力。
作者：賀小濤