“钢的热处理”综合教学——从感性认识到理性的分析过程

　　摘要：本文根据技工学校学生的特点与本课程教学大纲的要求,对“金属材料与热处理”课程学习中存在的问题,提出了以各种典型零件对其加工工艺性能、使用性能的要求,首先使学生弄清：成份(牌号)——用途之间的关系(选材)，进而能理性的分析:成份——组织——性能——用途之间的关系.
　　关键词：感性认识成份——组织——性能——用途热处理
　　
　　“金属材料与钢的热处理”是机械类专业学生必需修的一门重要专业基础课,由于该课程较为抽象、微观,使学生对该门课程知识的理解和掌握存有一定的难度,常常出现老师按教材顺序教完“钢的热处理”内容后，相当多的学生仍“一团雾水”的窘境，勤奋的同学靠死读硬记，但真正能理解、并能理性分析的学生只是少数。如果说：“机械制图”“公差配合”与“数控编程”等课程是解决零（部）件“形”的问题，而“金属材料与钢的热处理”则是解决“质”的问题。
　　首先我们先分析本课程的主要内容及重、难点。   
　　1、金属的性能：包括使用性能与工艺性能两部分，特别是力学性能部分，该内容为本课程的重点,但并非难点,通过正常教学学生就基本可以理解。
　　2、金属学基础知识是本课程中较为抽象的环节，是教学中的难点，但并非全为重点。
　　3、合金相图（铁碳合金相图）：是本课程的重点,如铁碳合金的基本相，铁碳合金的分类,含碳量对铁碳合金组织与性能的影响,但相图分析及典型铁碳合金的结晶过程是难点,而并非重点。
　　4、钢的热理:是本课程的重点,且又是难点,特别是机械类热加工专业学生来说更为重要。
　　5、常用金属材料:是一般的了解内容，不是难点与重点。
　　笔者认为对技职校的学生来说,对与非重点的难点内容不必面面俱到,要求学生全部搞清反而抓不住重点，增加学生的畏难情绪，适得其反。
　　技工学校机械类各专业工种对本课程要求掌握的侧重点不尽相同，但有一点：成份（牌号）—用途之间的关系是首先必须弄清的，而组织—性能—用途之间的关系是重点，也是难点。在教学过程中，我采取从感性认识到理性分析的教学方法，收到了较好的教学效果。
　　一、从感性认识，找出切入点
　　首先分析钢的用途与成份（牌号）之间的关系，明确强调“钢”的用途主要根据含碳量（碳素钢是如此，合金钢也基本如此，可用于更重要的机件，而合金钢包括合金渗碳钢、合金结构钢、合金工具钢）。
　　机械零件（根据其使用性能要求进行分类）的主要类型基本上有如下形式：
　　1、“外硬内韧”性能要求的机械零件——如变速齿轮等
　　2、要求具有良好“综合力学”性能的机械零件——如转动件、联接件等
　　3、具有足够的硬度与耐磨性的工件——如手动工具（锉刀、丝锥等）
　　4、要求具有足够耐硬度、耐磨性、红硬性（并具有一定的强度与韧性）的零件——如：钻头、车刀等。
　　5、具有高的弹性极限与疲劳强度要求的零件——弹簧类零件。
　　6、以及有局部性能要求的零件。
　　在教学中展示各种典型零件的坯料与成品，并通过提问提示活跃教学气氛，学生容易根据已学过的知识与感性认识，比较容易地判断应选什么样的材料（即用途——成份之间的关系）并加深理解碳素钢牌号的含义。比如：
　　第1类型零件，应选用低碳钢韧性好，为满足外硬的性能要求，可进行表面淬火渗碳、渗氮或软氮化等表面热处理及化学热处理（实质采用20号钢或合金渗碳钢）。
　　第2类型零件，由于需传递较大的动力，要求具有优良的综合力学性能，故需选用中碳钢，实际选用35~55号钢对大型机件来说,为了提高淬透性（即临界淬透直径DC值）可选用合金调质。
　　第3类型零件，由于只要求具有高的硬度与耐磨性（对韧性一般没有要求）故选用高碳钢（碳素工具钢或低合金工具钢）。
　　第4类型零件，由于高速切削加工产生高热，一般碳素工具钢不能满足其对“红硬性”的要求，故应选用回火稳定性较高低合金工具钢或高速钢（或硬质合金）。后两类零件不再繁述。
　　理清（复习巩固）了成份与用途的关系后，进一步分析成份（牌号）——组织——性能——用途之间的关系。
　　二、化繁为简，逐步分析
　　（一）预备热处理的目的及选用
　　1．从切削加工性能方面考虑
　　金属材料的切削加工性能金属材料的切削加工性能主要取决于其硬度（金属材料最适宜的切削加工硬度值约在170~230HBW）。而在A1温度以下，钢的组织是由性能与工业纯铁相近的基体组织——铁素体与高硬度（约950~1050HV）塑性、韧性几乎为零、脆性极大的金属化合物渗碳体两基本相混合而成，随含碳量增加渗碳体的相对量不断增加，相对量较多的片状或网状的渗碳体显然对切削加工过程不利，而低碳钢塑性、韧性好，而硬度较低。
　　故高碳钢宜采用球化退火使网状渗碳体球化，而低碳钢宜采用正火，可得到细珠光体（索氏体），提高其硬度有利于切削加工。
　　2．从消除(前道工序带来的)组织缺陷方面考虑
　　学生从已学过的机械制图中已经知道机械零（部）件的“形”有四个类型，即⑴轴类、⑵盘类、⑶叉架类、⑷箱体类。形状较简单的零件可从原料（棒材或板材）上直接截取，而形状较复杂的零件毛坯需经过鋳造、锻造或焊接成形，必然会产生内应力及成份偏析、疏松及晶粒粗大等等组织缺陷。为消除零件坯料中的隐患或组织缺陷，则可采用去应力退火或正火（细化晶粒，均匀组织）或扩散退火（成份均匀化）。
　　3．对不重要的机件正火后的力学性能能满足其使用性能要求，则可作最终热处理。
　　4．预备热处理的工序位置
　　当我们分析了预备热处理的目的及选用后，学生很快就会明白预备热处理的工序位置应在毛坯成型后，机械粗（切削）加工之前。
　　（二）、最终热处理的目的
　　1．淬火的主要目的
　　如果说，预备热处理改善了基本组织与渗碳体的形态、大小及分布状态，为最终热处理作组织准备。而淬火则不但使渗碳体这脆硬相消失（或部分消失）并改变了钢的基体组织。亚共析钢加热到Ac3以上30°~50°保温后渗碳体全部溶解于奥氏体相中（r-Fe晶格间隙中）。过共析钢加热到Ac1以上20°~40°保温后仍有部分渗碳体末溶于奥氏体（有关淬火加热温度的选择及淬火介质的选择需另以讲解）在急冷后得到具有高强度、硬度（与含碳量有关）的，碳在α-Fe中的过饱和固溶体——马氏体；或在马氏体的基体上分布着细粒状的渗碳体（过共析钢淬火后的组织）。通过讲解马氏体的形成、组织与性能，加深了学生对“固溶强化”这个概念的了解，进而分析含碳量对晶格畸变度的影响，即强度、硬度的影响（淬硬性），成份与选用等相关联的问题。
　　2.回火的目的及回火温度对钢件力学性能的影响
　　淬火钢件由于是在急冷条件（水冷或油冷等）下冷却会产生较大的内应力。马氏体、残余奥氏体及非马氏体组织都是非稳定组织，则回火成为淬火钢件必须的后续热处理工序。
　　在回火过程中随加热温度的提高铁碳原子的动能增加，内应力消除，残余奥氏体或非马氏体组织分解，碳原子不断地从过饱和固溶体马氏体中析出，以碳化物或渗碳体形式弥散分布在基体上，α-Fe晶格畸变度减轻或消失，力学性能也发生变化（主要取决回火温度高低对基体组织与碳化物大小的影响）。
　　低温回火——回火马氏体，硬基体+硬质点（马氏体+极细微碳化物）
　　满足作为工具钢类零件所需的力学性能。
　　中温回火——回火托氏体，（铁素体+极细粒状渗碳体）
　　满足弹簧类零件使用性能要求（弹簧类零件也可采用等温淬火）
　　高温回火——回火索氏体，软基体+硬质点（铁素体+细粒状渗碳体）
　　具有优良的综合力学性能，满足传动件使用性能要求。（如表面或某部位需提高其耐磨性，可进行表面淬火）
　　3.最终热处理的工序位置
　　淬火＋回火作为一般机件的最终热处理，因淬火钢件在淬火后会产生一定的变形及淬硬层深度有限等等原因，故其工序位置应在机械粗（切削）加工之后，精加工或半精加工之前。
　　三、归纳总结，加深理解和记忆
　　从以上几个阶段的回火组织中可指导学生理性的归纳出：钢淬火后回火其组织为碳化物（或渗碳体）够高弥散度地分布于基体组织上（可起弥散硬化作用）。改变了原钢坯料的金相组织改善其力学性能。通过以上综合分析，使学生较能理性地认识到常规热处理的工序过程及主要目的。铁具有同素异构转变的特点（内因）。热处理是创造一定的外因条件（如温度、气氛……等等），使其根据固有的规律发生我们所要的组织转变。在实际生产工序过程中，为满足（钢）零件使用性能要求，应先选择合适的钢料（成份），通过预备热处理改善其工艺性能，粗加工后再进行最终热处理获得满足使用性能所要求的内在组织所具备的性能。（表面热处理只需简单讲解学生不难理解）。
　　“钢的热处理”是本课程主要内容和教学难点，本教材虽经多次修订再版，每次有关章节都作了部分删减，概念、术语减少了，直观性的插图增加了，难度降低了，但主体的系统性，连贯性基本不变。对于技工学校非热处理专业的机械类各专业学生来说，直观、实用的教学过程（或综合分析）更易激发学生的学习兴趣，提高学生对相关内容的理解和认识，从而实现各知识点从感性认识到理性分析。希与诸位从事本课程教学工作的同仁共同调研，以取得更好的教学效果。
　　参考资料
　　1.金属材料与热处理（第五版），全国中等职业技术学校机械类通用教材。中国劳动社会保障出版社（北京）2007年
　　2.金属工艺学（第二版），中等职业教育国家计划教材。高等教育出版社（北京）1994年
　　3.金属学机械工业出版社（北京）1977年
　　4.钢的热处理高等专业院校试用教材。高等教育出版社（北京）1977年