結(jié)合工程實例講解金屬材料及熱處理知識

龐立軍

[摘要]熱處理是機(jī)械制造業(yè)中重要知識和技能。為了幫助學(xué)生更好的理解熱處理相關(guān)知識節(jié)點，并能把這些知識融會貫通。我在教學(xué)實施過程中，通過引入工程實例的方式，有針對性的解析各個知識點，把較為枯燥的敘述性內(nèi)容，落實到具體零件，使學(xué)生清楚，學(xué)什么？怎么學(xué)？學(xué)了以后怎么應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]金屬材料 熱處理 使用性能 工藝性能

熱處理工藝在機(jī)械制造業(yè)中占有十分重要的地位，熱處理是強(qiáng)化鋼材，使其發(fā)揮潛在能力的重要方法，是提高產(chǎn)品質(zhì)量延長使用壽命的重要途徑。通過熱處理，不僅能充分發(fā)揮鋼材的潛力，提高工件的使用性能和壽命，而且還可以改善工件的加工性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率。為了使學(xué)生對這些知識感興趣，我用下面的方法給學(xué)生解讀。

一、介紹金屬材料的性能

金屬材料的性能是選材用材的重要基礎(chǔ)，它包括使用性能和工藝性能兩個方面。使用性能主要有力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等。其中，力學(xué)性能又包含強(qiáng)度、剛度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度等。物理性能包含密度、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性等?；瘜W(xué)性能包含耐腐蝕性和抗氧化性。工藝性能有鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能等。在機(jī)械零件制造中，性能如何直接影響著加工質(zhì)量和產(chǎn)品性能。我們必須根據(jù)實際工作要求，科學(xué)的選擇材料并進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臒崽幚?，保證零件所需性能能夠有效地發(fā)揮出來。

二、講解熱處理的方法及處理后的性能

熱處理就是挖掘金屬材料的潛在優(yōu)點，不同的處理方法，最終得到的結(jié)果不同。實際工作中，常用的熱處理分為普通熱處理和表面熱處理。普通熱處理包含退火、正火、淬火和回火。表面熱處理包含表面淬火和表面化學(xué)熱處理。退火可以均勻組織，細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力，從而改善金屬材料的內(nèi)部質(zhì)量，為后續(xù)加工做好組織和性能上的準(zhǔn)備。比如，經(jīng)退火處理的材料可以改善切削加工性能，把不好切削的材料轉(zhuǎn)變成為好切削的材料，以便保證零件的加工精度。正火和退火的操作過程和最終結(jié)果相近，但生產(chǎn)效率可大幅提高。所以，在允許的情況下，常用正火代替退火。經(jīng)退火或正火處理的零件其強(qiáng)度、硬度和耐磨性都較差，多數(shù)都不能滿足機(jī)械零件的實際工作需求。它們常作為后續(xù)加工的預(yù)備熱處理。要使零件經(jīng)久耐用，不容易損壞，我們可進(jìn)行淬火處理，這是提高強(qiáng)度、硬度，增強(qiáng)耐磨性的有效方法?？墒?，淬火后又給零件帶來了有一些缺陷和不足。因為淬火冷卻速度快，收縮不均勻，導(dǎo)致零件發(fā)生變形，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，表面還會脆裂現(xiàn)象。這些問題嚴(yán)重影響機(jī)械零件的工作質(zhì)量，必須通過回火處理進(jìn)行消除。而回火存在三個不同的溫度區(qū)間。低溫回火、中溫回火和高溫回火，不同的回火溫度，處理后的零件所表現(xiàn)的性能差異很大。低溫回火能夠保證零件的硬度、強(qiáng)度和耐磨性。中溫回火則可獲得非常好的彈性、韌性和較高的強(qiáng)度。高溫回火可以獲取較好的綜合力學(xué)性能。只有掌握了這些知識才能確保機(jī)械零件正確的熱處理。

三、金屬材料的選擇及熱處理應(yīng)用舉例

汽車變速箱傳動汽輪，是汽車動力傳動的重要環(huán)節(jié)，工作時承受非常大的工作載荷，必須保證輪齒表面足夠的接觸疲勞強(qiáng)度，較高的硬度和很好的耐磨性，另外，在換擋變速時，又要承受沖擊載荷的作用，要求芯部有很好的韌性。怎樣才能使齒輪滿足如此復(fù)雜的要求呢？利用金屬材料及熱處理的相關(guān)知識和工藝，就可以把這些問題一一解決。首先，選定合適的材料，在我們學(xué)過的鋼材類型中選用合金滲碳鋼20CrMnTi，含碳量0.2%，具有較好的沖擊韌性，經(jīng)退火處理，具有良好的切削加工性能，方便切削齒形。但此時的齒輪齒面硬度太低，容易發(fā)生齒面點蝕和齒面磨損現(xiàn)象，所以，要進(jìn)行表面滲碳，使表面含碳量提高到百分之0.8%——1.2%，達(dá)到高碳鋼的標(biāo)準(zhǔn)，這是提高硬度的重要基礎(chǔ)。接著進(jìn)行表面淬火處理，這是提高硬度、強(qiáng)度、增強(qiáng)耐磨性的有效方法。經(jīng)過這樣的處理，滿足了變速齒輪的一些性能要求，但也帶來了新的缺陷，如由于收縮不均勻而產(chǎn)生變形，由于變形產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，表面質(zhì)量下降，產(chǎn)生脆裂現(xiàn)象。為了消除這些淬火缺陷，必須要及時進(jìn)行低溫回火處理。這樣生產(chǎn)出來的齒輪表硬芯韌，可以滿足變速箱傳動齒輪的性能要求，質(zhì)量好，經(jīng)久耐用。

我在講課時給學(xué)生舉的第二個例子是汽車發(fā)動機(jī)連桿。發(fā)動機(jī)連桿在工作中受力情況復(fù)雜，載荷非常大，并帶有巨大的沖擊，對彈性、韌性、強(qiáng)度都提出較高的要求。正所謂必須具有較好的綜合力學(xué)性能。因為，金屬材料的力學(xué)性能包含多項指標(biāo)，比如硬度、強(qiáng)度、塑性、韌性等。要想各項指標(biāo)都達(dá)到最好是不可能的，因為這些性能相互影響，有些互為矛盾，比如硬度提高，沖擊韌性、塑性就會減弱。要解決這個問題，我們可以采用恰當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒?，對金屬零件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，即淬火+高溫回火。這樣一來，每項指標(biāo)不能達(dá)到最好，但可以照顧各個方面，使每一項指標(biāo)能達(dá)到比較好的水平。

四、學(xué)生課堂學(xué)習(xí)情況總結(jié)

金屬材料及熱處理的的內(nèi)容比較零散，在講解的時候，我發(fā)現(xiàn)學(xué)生感覺枯燥乏味，學(xué)習(xí)積極性不高，性趣下降。我就先表明這些客觀因素，把這些敘述性的內(nèi)容引到實際例子的應(yīng)用中，等到這個單元講完之后，回過頭來把這些散亂的內(nèi)容進(jìn)行梳理歸納。通過總結(jié)，學(xué)生明顯的感受到這些知識實用價值，有針對性的把這些知識進(jìn)行串聯(lián)在一起，做到所學(xué)知識的綜合應(yīng)用。通過實踐，把多數(shù)學(xué)生引入正確的學(xué)習(xí)狀態(tài)，使學(xué)生清楚，我要學(xué)什么？學(xué)了些什么？學(xué)了這些知識有什么用？通過實踐，不斷探索新形勢下教學(xué)經(jīng)驗，的確取得了較好的教學(xué)效果。