結合工程實例講解金屬材料及熱處理知識

龐立軍

[摘要]熱處理是機械制造業中重要知識和技能。為了幫助學生更好的理解熱處理相關知識節點，并能把這些知識融會貫通。我在教學實施過程中，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容，落實到具體零件，使學生清楚，學什么？怎么學？學了以后怎么應用。

[關鍵詞]金屬材料 熱處理 使用性能 工藝性能

熱處理工藝在機械制造業中占有十分重要的地位，熱處理是強化鋼材，使其發揮潛在能力的重要方法，是提高產品質量延長使用壽命的重要途徑。通過熱處理，不僅能充分發揮鋼材的潛力，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，提高產品質量和勞動生產率。為了使學生對這些知識感興趣，我用下面的方法給學生解讀。

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，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性能、物理性能和化學性能等。其中，力學性能又包含強度、剛度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞強度等。物理性能包含密度、熔點、熱膨脹性、導熱性、導電性和磁性等。化學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。在機械零件制造中，性能如何直接影響著加工質量和產品性能。我們必須根據實際工作要求，科學的選擇材料并進行恰當的熱處理，保證零件所需性能能夠有效地發揮出來。

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點，不同的處理方法，最終得到的結果不同。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熱處理。退火可以均勻組織，細化晶粒，消除內應力，從而改善金屬材料的內部質量，為后續加工做好組織和性能上的準備。比如，經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果相近，但生產效率可大幅提高。所以，在允許的情況下，常用正火代替退火。經退火或正火處理的零件其強度、硬度和耐磨性都較差，多數都不能滿足機械零件的實際工作需求。它們常作為后續加工的預備熱處理。要使零件經久耐用，不容易損壞，我們可進行淬火處理，這是提高強度、硬度，增強耐磨性的有效方法。可是，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，導致零件發生變形，產生內應力，表面還會脆裂現象。這些問題嚴重影響機械零件的工作質量，必須通過回火處理進行消除。而回火存在三個不同的溫度區間。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的性能差異很大。低溫回火能夠保證零件的硬度、強度和耐磨性。中溫回火則可獲得非常好的彈性、韌性和較高的強度。高溫回火可以獲取較好的綜合力學性能。只有掌握了這些知識才能確保機械零件正確的熱處理。

三、金屬材料的選擇及熱處理應用舉例

汽車變速箱傳動汽輪，是汽車動力傳動的重要環節，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雜的要求呢？利用金屬材料及熱處理的相關知識和工藝，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，容易發生齒面點蝕和齒面磨損現象，所以，要進行表面滲碳，使表面含碳量提高到百分之0.8%——1.2%，達到高碳鋼的標準，這是提高硬度的重要基礎。接著進行表面淬火處理，這是提高硬度、強度、增強耐磨性的有效方法。經過這樣的處理，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生變形，由于變形產生了內應力，表面質量下降，產生脆裂現象。為了消除這些淬火缺陷，必須要及時進行低溫回火處理。這樣生產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，質量好，經久耐用。

我在講課時給學生舉的第二個例子是汽車發動機連桿。發動機連桿在工作中受力情況復雜，載荷非常大，并帶有巨大的沖擊，對彈性、韌性、強度都提出較高的要求。正所謂必須具有較好的綜合力學性能。因為，金屬材料的力學性能包含多項指標，比如硬度、強度、塑性、韌性等。要想各項指標都達到最好是不可能的，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，我們可以采用恰當的熱處理方法，對金屬零件進行調質處理，即淬火+高溫回火。這樣一來，每項指標不能達到最好，但可以照顧各個方面，使每一項指標能達到比較好的水平。

四、學生課堂學習情況總結

金屬材料及熱處理的的內容比較零散，在講解的時候，我發現學生感覺枯燥乏味，學習積極性不高，性趣下降。我就先表明這些客觀因素，把這些敘述性的內容引到實際例子的應用中，等到這個單元講完之后，回過頭來把這些散亂的內容進行梳理歸納。通過總結，學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行串聯在一起，做到所學知識的綜合應用。通過實踐，把多數學生引入正確的學習狀態，使學生清楚，我要學什么？學了些什么？學了這些知識有什么用？通過實踐，不斷探索新形勢下教學經驗，的確取得了較好的教學效果。