结合工程实例讲解金属材料及热处理知识

庞立军

[摘要]热处理是机械制造业中重要知识和技能。为了帮助学生更好的理解热处理相关知识节点，并能把这些知识融会贯通。我在教学实施过程中，通过引入工程实例的方式，有针对性的解析各个知识点，把较为枯燥的叙述性内容，落实到具体零件，使学生清楚，学什么？怎么学？学了以后怎么应用。

[关键词]金属材料 热处理 使用性能 工艺性能

热处理工艺在机械制造业中占有十分重要的地位，热处理是强化钢材，使其发挥潜在能力的重要方法，是提高产品质量延长使用寿命的重要途径。通过热处理，不仅能充分发挥钢材的潜力，提高工件的使用性能和寿命，而且还可以改善工件的加工性能，提高产品质量和劳动生产率。为了使学生对这些知识感兴趣，我用下面的方法给学生解读。

一、介绍金属材料的性能

金属材料的性能是选材用材的重要基础，它包括使用性能和工艺性能两个方面。使用性能主要有力学性能、物理性能和化学性能等。其中，力学性能又包含强度、刚度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。物理性能包含密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。化学性能包含耐腐蚀性和抗氧化性。工艺性能有铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。在机械零件制造中，性能如何直接影响着加工质量和产品性能。我们必须根据实际工作要求，科学的选择材料并进行恰当的热处理，保证零件所需性能能够有效地发挥出来。

二、讲解热处理的方法及处理后的性能

热处理就是挖掘金属材料的潜在优点，不同的处理方法，最终得到的结果不同。实际工作中，常用的热处理分为普通热处理和表面热处理。普通热处理包含退火、正火、淬火和回火。表面热处理包含表面淬火和表面化学热处理。退火可以均匀组织，细化晶粒，消除内应力，从而改善金属材料的内部质量，为后续加工做好组织和性能上的准备。比如，经退火处理的材料可以改善切削加工性能，把不好切削的材料转变成为好切削的材料，以便保证零件的加工精度。正火和退火的操作过程和最终结果相近，但生产效率可大幅提高。所以，在允许的情况下，常用正火代替退火。经退火或正火处理的零件其强度、硬度和耐磨性都较差，多数都不能满足机械零件的实际工作需求。它们常作为后续加工的预备热处理。要使零件经久耐用，不容易损坏，我们可进行淬火处理，这是提高强度、硬度，增强耐磨性的有效方法。可是，淬火后又给零件带来了有一些缺陷和不足。因为淬火冷却速度快，收缩不均匀，导致零件发生变形，产生内应力，表面还会脆裂现象。这些问题严重影响机械零件的工作质量，必须通过回火处理进行消除。而回火存在三个不同的温度区间。低温回火、中温回火和高温回火，不同的回火温度，处理后的零件所表现的性能差异很大。低温回火能够保证零件的硬度、强度和耐磨性。中温回火则可获得非常好的弹性、韧性和较高的强度。高温回火可以获取较好的综合力学性能。只有掌握了这些知识才能确保机械零件正确的热处理。

三、金屬材料的选择及热处理应用举例

汽车变速箱传动汽轮，是汽车动力传动的重要环节，工作时承受非常大的工作载荷，必须保证轮齿表面足够的接触疲劳强度，较高的硬度和很好的耐磨性，另外，在换挡变速时，又要承受冲击载荷的作用，要求芯部有很好的韧性。怎样才能使齿轮满足如此复杂的要求呢？利用金属材料及热处理的相关知识和工艺，就可以把这些问题一一解决。首先，选定合适的材料，在我们学过的钢材类型中选用合金渗碳钢20CrMnTi，含碳量0.2%，具有较好的冲击韧性，经退火处理，具有良好的切削加工性能，方便切削齿形。但此时的齿轮齿面硬度太低，容易发生齿面点蚀和齿面磨损现象，所以，要进行表面渗碳，使表面含碳量提高到百分之0.8%——1.2%，达到高碳钢的标准，这是提高硬度的重要基础。接着进行表面淬火处理，这是提高硬度、强度、增强耐磨性的有效方法。经过这样的处理，满足了变速齿轮的一些性能要求，但也带来了新的缺陷，如由于收缩不均匀而产生变形，由于变形产生了内应力，表面质量下降，产生脆裂现象。为了消除这些淬火缺陷，必须要及时进行低温回火处理。这样生产出来的齿轮表硬芯韧，可以满足变速箱传动齿轮的性能要求，质量好，经久耐用。

我在讲课时给学生举的第二个例子是汽车发动机连杆。发动机连杆在工作中受力情况复杂，载荷非常大，并带有巨大的冲击，对弹性、韧性、强度都提出较高的要求。正所谓必须具有较好的综合力学性能。因为，金属材料的力学性能包含多项指标，比如硬度、强度、塑性、韧性等。要想各项指标都达到最好是不可能的，因为这些性能相互影响，有些互为矛盾，比如硬度提高，冲击韧性、塑性就会减弱。要解决这个问题，我们可以采用恰当的热处理方法，对金属零件进行调质处理，即淬火+高温回火。这样一来，每项指标不能达到最好，但可以照顾各个方面，使每一项指标能达到比较好的水平。

四、学生课堂学习情况总结

金属材料及热处理的的内容比较零散，在讲解的时候，我发现学生感觉枯燥乏味，学习积极性不高，性趣下降。我就先表明这些客观因素，把这些叙述性的内容引到实际例子的应用中，等到这个单元讲完之后，回过头来把这些散乱的内容进行梳理归纳。通过总结，学生明显的感受到这些知识实用价值，有针对性的把这些知识进行串联在一起，做到所学知识的综合应用。通过实践，把多数学生引入正确的学习状态，使学生清楚，我要学什么？学了些什么？学了这些知识有什么用？通过实践，不断探索新形势下教学经验，的确取得了较好的教学效果。