工程材料课程中C曲线的案例教学

贺小涛

摘 要 C曲线是工程材料课程中金属材料及热处理部分教学的重点和难点。考虑到大二学生缺乏实践经验和机械加工工艺感性知识的现状，根据教学内容及特点，精心选择针对性很强且为学生熟悉的案例“锤头加工”和“风钢的来历”讲解C曲线，可以使学生较容易获取并理解C曲线有关的知识；进一步的“齿轮烧伤”案例讨论，帮助学生拓展知识，并将知识转化为能力。

关键词 工程材料；热处理；C曲线；案例教学

中图分类号：G642.4 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2015）06-0075-02

工程材料课是机械设计制造及其自动化专业的核心课程[1]，金属材料及热处理是课程最重要的教学内容，C曲线的教学既是重点也是难点。这张图讨论在温度—时间变量相互作用下材料的相变过程，是机械制造中选择材料热处理方式、确定淬火冷却介质的重要依据。这张图出现的新名词较多，珠光体P、索氏体S、屈氏体T、贝氏体B、马氏体M难以记忆；涉及的术语退火、正火、淬火、回火相似，容易混淆；学生工程实际经验少，对图形的物理意义难以理解，不会应用。本文着重讨论C曲线相关内容的教学。

1 教学内容

C曲线是以时间为横坐标、温度为纵坐标制定的实验曲线，反映时间因素对过冷奥氏体组织转变的影响规律。C曲线主要包含两个内容：

一是对于确定成分的钢，选用不同的热处理方式，即加热到奥氏体后选用不同的冷却速度，可以获得不同的组织，使材料具有不同的性能；

二是不同成分的钢的C曲线在坐标系中的位置和形状都不同，C曲线左右位置关系到钢获得各种组织的难易程度，它决定了材料的临界冷却速度——材料淬火时获得马氏体而非其他组织的最小冷却速度，曲线在坐标系中的上下位置决定室温下残余奥氏体的多少。

2 案例讲解

如果照本宣科，把C曲线内容作为孤立的知识点讲授，学生对C曲线的物理意义和工程应用仍然理解不透。针对C曲线的两个教学内容，选择适当的工程案例讲解，可取得事半功倍的效果。

案例一：锤头加工 每个学生在金工实习中都曾亲手制作了手锤。其中锤头的加工过程是：选材—下料—锻造—退火（正火）—刨削加工—钳工—淬火—低温回火—发黑。根据锤头的使用要求，选用45钢，其C曲线[2]如图1所示。45钢退火（炉冷）得到的组织是P+F，正火（空冷）得到的组织是S+F，淬火得到的组织是M，回火后得到的组织是回火M。退火、正火组织相对于M而言，强度硬度低，往往作为预备热处理，在粗加工前调整材料硬度，便于材料切削加工；同时还可以消除应力，细化晶粒，为后续热处理作组织准备。淬火作为最终热处理，提高材料的强度硬度，满足使用性能要求。低温回火则是消除淬火组织的残余应力。正火组织硬度稍高于退火组织，但生产周期短，操作简便，成本低，如果能满足切削加工性能，从经济性角度考虑，可用正火代替退火。

以学生熟悉的例子，通过产品制造的全过程来展示不同热处理方式的选择及其在工艺过程中的顺序安排，很好地诠释了切削加工与热处理的关系，使学生加深了对热处理“四把火”的理解，同时又能把所学的各科知识有机联系，融会贯通，对生产过程有了整体的概念。

案例二：“风钢”的来历 学生在金工实习时已经使用并熟悉车刀、铣刀、麻花钻等工具，知道这些工具是用高速钢制造的。但为什么与低合金工具钢不同，高速钢淬火后需要多次回火？为什么高速钢在生产现场又往往被称为“白钢”“锋钢”“风钢”？从颜色和力学性能，很容易解释前两种说法，即：高速钢呈现银白色；与硬质合金相比，它强度高，韧性好，做成的刀具可以刃磨得更锋利。但风钢的说法和多次回火问题涉及淬透性和残余奥氏体的概念，要用C曲线来解释。

影响C曲线在坐标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，亚共析钢的C曲线右移，过共析钢的C曲线左移；除元素Co外，所有合金元素都使C曲线右移。曲线右移意味着材料淬火时获得马氏体的最小冷却速度下降。案例中的高速钢牌号为W18Cr4V，含有大量的合金元素，其C曲线大大右移，在空气中冷却即所谓“空淬”就可获得马氏体，这就是高速钢又称风钢的原因。学生通过“空淬”明白了C曲线左右位置的物理意义后，就能举一反三，很容易理解和掌握碳钢用“水淬”，低合金结构钢用“油淬”的道理，实现知识的迁移。

含碳量增加，C曲线中马氏体转变开始温度Ms和马氏体转变终止温度Mf的位置下移；除Co、Al外，合金元素都使Ms和Mf的位置下移。当Mf低于室温，意味着室温时材料的残余奥氏体增多。W18Cr4V中含有大量的合金元素，马氏体转变终止温度很低，过冷奥氏体向马氏体的转变不充分，残余奥氏体很多，影响刀具的强度和硬度，因而需要多次回火来减少和消除残余奥氏体。

课堂教学时以生产制造中广泛使用且为学生熟悉的高速钢为例讲解，使理论问题具体化、通俗化[3]，学生对C曲线的物理意义更容易理解。

3 课堂讨论

通过上面的案例讲解，学生已经对C曲线有了一定的了解，为解决较为复杂的实际工程问题作了一定的知识储备。为了让学生能够更加强化相关概念，并且将知识转化为能力，还可以引用复杂一些的案例，就相关问题提出思考题，让学生自己课下查找资料。例如，汽车后桥齿轮受力复杂，承受的冲击载荷大，一般选用渗碳合金钢制造。渗碳合金钢含碳量低，塑性韧性好，可满足齿轮的心部对塑性韧性的要求；渗碳处理增加了材料表面的含碳量，淬火后提高了表面的强度硬度，满足齿轮耐磨性要求。齿轮加工过程是：下料—锻造成型—正火—粗加工（铣齿）—渗碳—淬火—低温回火—精加工（磨齿）。在最后一道工序磨齿加工中有时会出现齿轮表面烧伤现象，导致前功尽弃，齿轮报废。

针对这个工程案例，向学生提出一些问题：烧伤是由磨削工序本身引起的，还是由前面的热处理造成的？如果是最后一道工序引起烧伤，那是砂轮选择不恰当，还是磨削参数不合理或是冷却不充分？如果是热处理不当，究竟是正火过程还是渗碳过程出了问题？如果是渗碳引起了烧伤，如何合理解释其中的原因？如何设定实验方案，来验证对烧伤原因的推理判断？这样层层推理式的提问，会刺激学生探究真相的欲望，主动思考问题查找资料，为下次的课堂讨论做准备。

问题的答案不唯一，其中可能的一种答案与C曲线密切相关。渗碳时炉内气氛控制不当，造成齿轮表面含碳量过高，根据C曲线可知，在紧接的淬火过程中一定会引起马氏体转变不充分，齿轮表面残余奥氏体过多，而过多的残余奥氏体正是后续磨削过程中造成烧伤的主要原因。这就是所谓的工艺遗传。只有学生有一定的理论基础后，又经过了积极思考和广泛收集资料的课堂讨论，才不会流于形式，才可以撞出火花。答案的多样性，讨论辨析的过程，极大地提高了学生分析问题、解决问题的能力。

4 结语

考虑到大二学生实践经验和机械加工工艺的感性知识缺乏的现状，根据教学内容及特点，精心选择针对性很强且为学生熟悉的案例讲解，可以使学生较容易获取并理解C曲线有关的知识；进一步的复杂案例讨论，可帮助学生拓展知识，并将知识转化为能力。后续专业课程学习以及课程设计、毕业设计情况反馈显示，学生能够正确选材，合理选择热处理方式，说明学生对C曲线有较好的理解，真正掌握了C曲线。这种案例教学的效果很好。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部高等教育司.普通高等学校本科专业目录和专业介绍（2012）[M].北京：高等教育出版社，

2012.

[2]王忠.机械工程材料[M].2版.北京：清华大学出版社，

2009.

[3]张有强，等.机械工程材料课程教学探讨[J].中国现代教育装备，2013（3）：56-58.endprint