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C曲線(xiàn)案例教學(xué)工程材料論文
1案例講解
如果照本宣科，把C曲線(xiàn)內容作為孤立的知識點(diǎn)講授，學(xué)生對C曲線(xiàn)的物理意義和工程應用仍然理解不透。針對C曲線(xiàn)的兩個(gè)教學(xué)內容，選擇適當的工程案例講解，可取得事半功倍的效果。
案例一：錘頭加工每個(gè)學(xué)生在金工實(shí)習中都曾親手制作了手錘。其中錘頭的加工過(guò)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。根據錘頭的使用要求，選用45鋼，其C曲線(xiàn)。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，往往作為預備熱處理，在粗加工前調整材料硬度，便于材料切削加工；同時(shí)還可以消除應力，細化晶粒，為后續熱處理作組織準備。淬火作為最終熱處理，提高材料的強度硬度，滿(mǎn)足使用性能要求。低溫回火則是消除淬火組織的殘余應力。正火組織硬度稍高于退火組織，但生產(chǎn)周期短，操作簡(jiǎn)便，成本低，如果能滿(mǎn)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(xué)生熟悉的例子，通過(guò)產(chǎn)品制造的全過(guò)程來(lái)展示不同熱處理方式的選擇及其在工藝過(guò)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(xué)生加深了對熱處理“四把火”的理解，同時(shí)又能把所學(xué)的各科知識有機聯(lián)系，融會(huì )貫通，對生產(chǎn)過(guò)程有了整體的概念。
案例二：“風(fēng)鋼”的來(lái)歷學(xué)生在金工實(shí)習時(shí)已經(jīng)使用并熟悉車(chē)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)現場(chǎng)又往往被稱(chēng)為“白鋼”“鋒鋼”“風(fēng)鋼”？從顏色和力學(xué)性能，很容易解釋前兩種說(shuō)法，即：高速鋼呈現銀白色；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(fēng)鋼的說(shuō)法和多次回火問(wèn)題涉及淬透性和殘余奧氏體的概念，要用C曲線(xiàn)來(lái)解釋。影響C曲線(xiàn)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(xiàn)右移，過(guò)共析鋼的C曲線(xiàn)左移；除元素Co外，所有合金元素都使C曲線(xiàn)右移。曲線(xiàn)右移意味著(zhù)材料淬火時(shí)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(xiàn)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(chēng)風(fēng)鋼的原因。學(xué)生通過(guò)“空淬”明白了C曲線(xiàn)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”，低合金結構鋼用“油淬”的道理，實(shí)現知識的遷移。含碳量增加，C曲線(xiàn)中馬氏體轉變開(kāi)始溫度Ms和馬氏體轉變終止溫度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(zhù)室溫時(shí)材料的殘余奧氏體增多。W18Cr4V中含有大量的合金元素，馬氏體轉變終止溫度很低，過(guò)冷奧氏體向馬氏體的轉變不充分，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(lái)減少和消除殘余奧氏體。課堂教學(xué)時(shí)以生產(chǎn)制造中廣泛使用且為學(xué)生熟悉的高速鋼為例講解，使理論問(wèn)題具體化、通俗化[3]，學(xué)生對C曲線(xiàn)的物理意義更容易理解。
2課堂討論
通過(guò)上面的案例講解，學(xué)生已經(jīng)對C曲線(xiàn)有了一定的了解，為解決較為復雜的實(shí)際工程問(wèn)題作了一定的知識儲備。為了讓學(xué)生能夠更加強化相關(guān)概念，并且將知識轉化為能力，還可以引用復雜一些的案例，就相關(guān)問(wèn)題提出思考題，讓學(xué)生自己課下查找資料。例如，汽車(chē)后橋齒輪受力復雜，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(mǎn)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(mǎn)足齒輪耐磨性要求。齒輪加工過(guò)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(shí)會(huì )出現齒輪表面燒傷現象，導致前功盡棄，齒輪報廢。針對這個(gè)工程案例，向學(xué)生提出一些問(wèn)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，還是磨削參數不合理或是冷卻不充分？如果是熱處理不當，究竟是正火過(guò)程還是滲碳過(guò)程出了問(wèn)題？如果是滲碳引起了燒傷，如何合理解釋其中的原因？如何設定實(shí)驗方案，來(lái)驗證對燒傷原因的推理判斷？這樣層層推理式的提問(wèn)，會(huì )刺激學(xué)生探究真相的欲望，主動(dòng)思考問(wèn)題查找資料，為下次的課堂討論做準備。問(wèn)題的答案不唯一，其中可能的一種答案與C曲線(xiàn)密切相關(guān)。滲碳時(shí)爐內氣氛控制不當，造成齒輪表面含碳量過(guò)高，根據C曲線(xiàn)可知，在緊接的淬火過(guò)程中一定會(huì )引起馬氏體轉變不充分，齒輪表面殘余奧氏體過(guò)多，而過(guò)多的殘余奧氏體正是后續磨削過(guò)程中造成燒傷的主要原因。這就是所謂的工藝遺傳。只有學(xué)生有一定的理論基礎后，又經(jīng)過(guò)了積極思考和廣泛收集資料的課堂討論，才不會(huì )流于形式，才可以撞出火花。答案的多樣性，討論辨析的過(guò)程，極大地提高了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。
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