工程材料課程中C曲線的案例教學

賀小濤

摘 要 C曲線是工程材料課程中金屬材料及熱處理部分教學的重點和難點。考慮到大二學生缺乏實踐經驗和機械加工工藝感性知識的現狀，根據教學內容及特點，精心選擇針對性很強且為學生熟悉的案例“錘頭加工”和“風鋼的來歷”講解C曲線，可以使學生較容易獲取并理解C曲線有關的知識；進一步的“齒輪燒傷”案例討論，幫助學生拓展知識，并將知識轉化為能力。

關鍵詞 工程材料；熱處理；C曲線；案例教學

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）06-0075-02

工程材料課是機械設計制造及其自動化專業的核心課程[1]，金屬材料及熱處理是課程最重要的教學內容，C曲線的教學既是重點也是難點。這張圖討論在溫度—時間變量相互作用下材料的相變過程，是機械制造中選擇材料熱處理方式、確定淬火冷卻介質的重要依據。這張圖出現的新名詞較多，珠光體P、索氏體S、屈氏體T、貝氏體B、馬氏體M難以記憶；涉及的術語退火、正火、淬火、回火相似，容易混淆；學生工程實際經驗少，對圖形的物理意義難以理解，不會應用。本文著重討論C曲線相關內容的教學。

1 教學內容

C曲線是以時間為橫坐標、溫度為縱坐標制定的實驗曲線，反映時間因素對過冷奧氏體組織轉變的影響規律。C曲線主要包含兩個內容：

一是對于確定成分的鋼，選用不同的熱處理方式，即加熱到奧氏體后選用不同的冷卻速度，可以獲得不同的組織，使材料具有不同的性能；

二是不同成分的鋼的C曲線在坐標系中的位置和形狀都不同，C曲線左右位置關系到鋼獲得各種組織的難易程度，它決定了材料的臨界冷卻速度——材料淬火時獲得馬氏體而非其他組織的最小冷卻速度，曲線在坐標系中的上下位置決定室溫下殘余奧氏體的多少。

2 案例講解

如果照本宣科，把C曲線內容作為孤立的知識點講授，學生對C曲線的物理意義和工程應用仍然理解不透。針對C曲線的兩個教學內容，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 每個學生在金工實習中都曾親手制作了手錘。其中錘頭的加工過程是：選材—下料—鍛造—退火（正火）—刨削加工—鉗工—淬火—低溫回火—發黑。根據錘頭的使用要求，選用45鋼，其C曲線[2]如圖1所示。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，但生產周期短，操作簡便，成本低，如果能滿足切削加工性能，從經濟性角度考慮，可用正火代替退火。

以學生熟悉的例子，通過產品制造的全過程來展示不同熱處理方式的選擇及其在工藝過程中的順序安排，很好地詮釋了切削加工與熱處理的關系，使學生加深了對熱處理“四把火”的理解，同時又能把所學的各科知識有機聯系，融會貫通，對生產過程有了整體的概念。

案例二：“風鋼”的來歷 學生在金工實習時已經使用并熟悉車刀、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現場又往往被稱為“白鋼”“鋒鋼”“風鋼”？從顏色和力學性能，很容易解釋前兩種說法，即：高速鋼呈現銀白色；與硬質合金相比，它強度高，韌性好，做成的刀具可以刃磨得更鋒利。但風鋼的說法和多次回火問題涉及淬透性和殘余奧氏體的概念，要用C曲線來解釋。

影響C曲線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曲線右移，過共析鋼的C曲線左移；除元素Co外，所有合金元素都使C曲線右移。曲線右移意味著材料淬火時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，這就是高速鋼又稱風鋼的原因。學生通過“空淬”明白了C曲線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，實現知識的遷移。

含碳量增加，C曲線中馬氏體轉變開始溫度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，意味著室溫時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減少和消除殘余奧氏體。

課堂教學時以生產制造中廣泛使用且為學生熟悉的高速鋼為例講解，使理論問題具體化、通俗化[3]，學生對C曲線的物理意義更容易理解。

3 課堂討論

通過上面的案例講解，學生已經對C曲線有了一定的了解，為解決較為復雜的實際工程問題作了一定的知識儲備。為了讓學生能夠更加強化相關概念，并且將知識轉化為能力，還可以引用復雜一些的案例，就相關問題提出思考題，讓學生自己課下查找資料。例如，汽車后橋齒輪受力復雜，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，滿足齒輪耐磨性要求。齒輪加工過程是：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會出現齒輪表面燒傷現象，導致前功盡棄，齒輪報廢。

針對這個工程案例，向學生提出一些問題：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，究竟是正火過程還是滲碳過程出了問題？如果是滲碳引起了燒傷，如何合理解釋其中的原因？如何設定實驗方案，來驗證對燒傷原因的推理判斷？這樣層層推理式的提問，會刺激學生探究真相的欲望，主動思考問題查找資料，為下次的課堂討論做準備。

問題的答案不唯一，其中可能的一種答案與C曲線密切相關。滲碳時爐內氣氛控制不當，造成齒輪表面含碳量過高，根據C曲線可知，在緊接的淬火過程中一定會引起馬氏體轉變不充分，齒輪表面殘余奧氏體過多，而過多的殘余奧氏體正是后續磨削過程中造成燒傷的主要原因。這就是所謂的工藝遺傳。只有學生有一定的理論基礎后，又經過了積極思考和廣泛收集資料的課堂討論，才不會流于形式，才可以撞出火花。答案的多樣性，討論辨析的過程，極大地提高了學生分析問題、解決問題的能力。

4 結語

考慮到大二學生實踐經驗和機械加工工藝的感性知識缺乏的現狀，根據教學內容及特點，精心選擇針對性很強且為學生熟悉的案例講解，可以使學生較容易獲取并理解C曲線有關的知識；進一步的復雜案例討論，可幫助學生拓展知識，并將知識轉化為能力。后續專業課程學習以及課程設計、畢業設計情況反饋顯示，學生能夠正確選材，合理選擇熱處理方式，說明學生對C曲線有較好的理解，真正掌握了C曲線。這種案例教學的效果很好。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部高等教育司.普通高等學校本科專業目錄和專業介紹（2012）[M].北京：高等教育出版社，

2012.

[2]王忠.機械工程材料[M].2版.北京：清華大學出版社，

2009.

[3]張有強，等.機械工程材料課程教學探討[J].中國現代教育裝備，2013（3）：56-58.endprint