铁碳合金相图在金属热加工工艺中的应用教学体会

摘 要：铁碳合金相图是研究铁碳合金成分、温度和组织结构之间关系的图形,是研究铁碳合金的基础,是人类经过长期实践并进行大量科学实验总结出来的.这就为生产实践中的选材、热加工工艺的制定提供了依据.本文主要阐述了铁碳合金相图在金属热加工工艺中的应用的教学体会.

关 键 词：铁碳合金相图,金属热加工工艺,教学体会

中图分类号：G718文献标识码：B文章编号：1672-1578（2014）13-0282-02

按照新时期中职教育的要求,教师在课堂上,不仅仅是完成教学任务,更重要的是要求教师能够运用现代化教学手段,合理调整教学内容,调动学生学习的积极性,帮助学生理解掌握深奥难懂的理论知识,教学中要有互动,学生要有发挥想象的空间.面对新时期的新任务,结合以能力为本,以就业为导向的教学目标.可以看出,学生的需求和教学目的的要求是完全统一的.因此,要求我们在金属材料教学中,一定要注重理论联系实际,充分发挥学生的主导作用.铁碳合金相图在金属热加工工艺应用教学内容的处理上,应以理论教学为主线,辅以相图为综合渗透作用,使学生融会贯通,即做到对理论的掌握,又得到能力上的锻炼,故在教学中做了以下尝试.

1.金属材料与机械零件生产工艺是教学基础

因为中职学校培养的学生,毕业后将要直接面对企业的一线生产.理解和掌握金属材料到机械零件整个的生产工艺过程对他们来说是非常重要.也就是说金属材料通过铸造、锻压、焊接机械加工、热处理等工序的加工制作最后变成零件.在生产中金属加工的工艺过程就显得非常重要.而铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具,是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础,也是制定各种热加工工艺的依据.铁碳合金相图可以帮助学生,根据金属材料的成分推断其组织,由组织定性分析其力学性能,这在铸造、锻造、焊接以及热处理等方面有着广泛的应用.学习铁碳合金相图,可以全面认识碳钢、合金钢和铸铁等常用的黑色材料.

2.利用铁碳合金相图渗透金属热加工工艺的概念

2.1铸造性能的概念提出.铸造性能的概念提出,首先通过多媒体演示铸件生产工艺过程,通过观看齿轮坯铸件生产过程.最后让学生总结得出:铸造是指熔炼金属,制造铸型,并将熔融金属浇入铸型,凝固后获得具有一定形状、尺寸和性能的金属零件或毛坯的成型方法.有了铸造性能概念,结合铁碳合金相图,指出ACD区是液相区,确定浇注温度一般在液相线以上150C°左右,并且可选择流动性好的合金,即接近共晶成分的合金,应用最为广泛.因为,其熔点低,结晶温度间隔小,流动性好,组织致密.所以,大型零件、复杂零件均采用铸造加工.

2.2锻造性能的概念提出.锻造性能方面,通过多媒体演示水压机生产汽轮机转子锻件的生产过程.然后让学生总结得出结论:锻压是对坯料施加外力,使其产生塑性变形,改变尺寸、形状及改善性能,用以制造机械零件、工件或毛坯的成型加工方法.并且告诉学生在铁碳合金相图AGSE区称为是奥氏体区,高温时的钢为单相奥氏体,强度不高,塑性好,便于变形加工.因此,钢材的锻压或轧制,一般要把坯料加热到奥氏体状态.确定始煅温度1150-1250C°,终煅温度是750-800C°左右,合金钢是800-900C.重要零件生产都要采用锻造,锻造生产可以使粗大晶粒变成细小晶粒.晶粒愈细小,金属材料的力学性能愈好.但不能加工脆性材料和形状复杂的零件毛坯.

2.3焊接性能的概念提出.焊接性能概念的提出,同样也是通过多媒体演示焊接工艺过程.在铁碳合金相图中,分析低碳钢、中碳钢、高碳钢随温度变化引起的组织转变.而对焊接专业的学生同时要掌握含碳量对钢的焊接性能的影响,钢的含碳量越高,其焊接性能越差,故焊接用钢主要是低碳钢和低碳合金钢.中碳钢的焊接性能较好,高碳钢的焊接性能较差,铸铁的焊接性能差.

2.4热处理的概念提出.热处理工艺,是根据铁碳合金相图拟定各种热处理工艺加热规范,在金属加工中有着特别重要的意义.教学中应着重强调退火、正火是预先热处理,而淬火、回火是最终处理.通过多媒体演示让学生掌握普通热处理的基本过程.退火是适当的温度加热,保持一定的时间,缓慢冷却（炉冷）的过程.正火是将工件加热到适宜的温度,保温后在空气中冷却（空冷）的过程,由于正火的冷却速度（空冷）比退火（炉冷）稍快,所以得到的组织更细,其力学性能也有所提高,常用于改善材料的切削性能,对一些要求不高的零件作为最终热处理.另外,正火炉外冷却不占用设备,生产率较高,因此生产中尽可能采用正火来代替退火.但若零件形状较复杂,由于正火冷却速度较快,可能会使零件产生较大的内应力和变形,甚至开裂,则以采用退火为宜.

淬火：是将钢加热AC3或AC1以上30-50C°保温一定时间,进行快冷的过程,获得的是马氏体组织的工艺.回火：将淬火后的钢件加热到低于AC1以下的某一适当温度进行保温,再进行冷却的过程.

退火、正火、淬火、回火是普通热处理中的"四把火",其中的淬火与回火关系密切,淬火后必须回火."四把火"随着加热温度和冷却方式的不同,又演变出不同的热处理工艺.通过在铁碳合金相图中将退火、正火、淬火、回火的加热温度加以比较,学生就有了一个十分清晰的热处理工艺的概念.

3.通过实践性教学,进一步的理解和认识铁碳合金相图

为培养学生综合应用知识的能力,在讲授典型零件的热处理时,组织课堂讨论.例如：车床主轴要求轴颈的硬度为HRC56-58HRC20-24其加工路线：

锻造――正火――机加工――轴颈表面淬火――低温回火――麽削加工.

让学生通过思考并指出：（1）主轴选用何种材料：（2）正火、表面处理、低温回火的目的和大致工艺；（3）轴颈表面处理后的组织和心部组织.

提醒同学：这是一个实际问题,选材是受多方面的因素制约的,但要掌握基本原则.

A同学发言：对轴类,在选材时应考虑：（a)载荷类型及大小,（b)主轴的形状及可能引起的热处理缺陷.主轴是机床的主要零件之一,根据技术要求和加工路线,建议选用45钢或其它中碳合金钢.

B同学发言：在加工路线中,各热处理操作的主要目的和大致工艺是：（a）正火是为了获得主轴整体所要求的性能和便于机加工,其工艺为加热到850℃左右,在空气中冷却；（b)表面淬火的目的是使轴颈表面的硬度满足要求,其工艺是轴颈高频感应加热,喷水冷却；（c)低温回火的目的是降低残余应力,工艺是整体在170-200℃回火,或高频加热在回火.因此,轴颈表面组织为回火马氏体,心部组织为珠光体和铁素体.

通过这个综合例题,让学生从选材到加工以及热处理工艺进行综合练习,对铁碳合金相图有进一步的理解和认识,可以学以致用.通过以上教学实践活动,一方面实现了理论知识的灌输,另一方面对培养学生综合运用知识的能力同时借助多媒体技术、课堂讨论、教学互动,使教学效果显著提升.