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1、总第118期第4期 2013年12月 高 校 实 验 室 工 作 研 究 GAOXIA0 SHIYANSHI G0NGZUO YANJIU SerialNO118，NO4 Dec2013 材料科学基础碳钢热处理实验教学方案设计 朱静，张硕，王毓德 (云南大学 物理科学技术学院，云南 昆明 650091) 摘 要：结合材料科学基础课程教学大纲要求和现有的实验教学条件，设计出一个切实可行的 碳钢热处理实验教学方案。实践证明，该方案提高教学质量效果明显，有利于培养学生理论与实践 相结合、解决实际问题的能力。 关键词：材料科学基础；实验教学；热处理 作为材料专业的一门专业必修课程，材料科学 基础的一个
2、重要教学环节是实验课。通过实验教 学可帮助学生巩固和加深课堂所学的理论知识，培 养理论联系实际，自己动手分析问题、解决问题的 能力。自我校开设材料科学基础课程以来，围 绕课程教学内容，逐步完善实验教学环节。目前， 已配置了16个学时的实验课，内容包括热处理、金 相样品的制备、金相显微镜的使用、材料的组织结 构分析、性能测试等综合实验。通过这几年的教学 实践，我们发现目前的实验教学环节已滞后于材料 科学基础课程体系建设。开设碳钢热处理实验的目 的是与材料科学基础中“固态相变”知识模块 相衔接，在理论课教学中我们始终贯穿“三要素(设 计与制备组成与结构性能与用途)”教学主 线，但在该实验教学中无法
3、突出体现材料研究的这 “三要素”。因此，必须积极推进对现有实验方案的优 化设计和改革。本文将阐述我校在材料科学基础 实验课中对碳钢热处理实验教学方案的优化设计。 1 实验教学方案设计原则 教学方案设计基于“三要素(设计与制备 组成与结构性能与用途)”教学主线，结合工业 生产实际，让学生亲自动手通过对样品进行热处理、 热处理后样品硬度测试及显微组织观察等操作，加 深对材料研究“三要素”关系的理解，同时掌握材 料专业学生所必需学习的基本技能，加强培养动手 能力。 基金项目：云南省教育厅科学研究基金理工类重点项目 (2013Z050)。 作者简介：朱静(1978一)，男，云南人，博士，副教授， 研究
4、方向：无机功能材料。 收稿日期：20130924 在工业生产上为了制定某一工件的生产工艺， 常常要对所用材料的性质进行全面的鉴定，其中比 较重要的力学性能鉴定又与热处理条件和显微组织 的分析有着不可分割的联系。通常生产中涉及热处 理、热处理后测量力学性能及分析显微组织等环节， 最终判断出一个正确的生产工艺。热处理可以大大 提高金属及其合金的强度，从而扩大材料的应用范 围，提高合金制成零件的使用价值，并保证所有零 件和结构具有更久的使用期限和更好的安全性。因 此，热处理己经成为现在所有制造工业中特别重要 的工序。传统的热处理工艺包括退火、正火、淬火 及回火。至于退火，本质上与正火相同，不过此时
5、不是在空气中冷却而是随炉冷却。因此，在本教学 方案中，将选取正火、淬火及回火进行实验教学， 既达到了让学生掌握热处理具体操作步骤的目的， 也解决了实验教学时数有限的问题。 2实验材料及设备 在本实验教学方案中，选用40Cr圆钢作为原材 料，长度约为7mm，直径约为15mm。40Cr钢是机 械行业最常用的钢材之一，合金元素cr的存在可以 降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。所使用 的仪器设备有箱式电炉、金相显微镜、金相样品制 备设备及洛氏硬度计。 3 实验内容 淬火工艺确定：实验所用材料为40Cr钢，属于 亚共析钢。根据FeFe c相图，淬火加热温度应在 AC，温度以上2030C，实现奥氏体化
6、。因此， 40Cr钢的淬火加热温度为845，保温时间为15分 钟。当温度过高，保温时间过长时，易导致奥氏体 晶粒度粗大，淬火后将得到粗大的马氏体，脆性增 4 高 校 实 验 室 工 作 研 究 总第118期 大。淬火冷却速度是另一个重要的因素。显然这与 淬火剂的选择直接有关。由奥氏体等温分解曲线 (又称c曲线)可知有一个临界淬火速度v 存在， 只有当淬火速度大于v 时，才能保证获得完全的马 氏体，但是也必须注意，淬火速度太快了会产生很 大的热应力，使样品产生裂缝而报废。因此，选择 适当的淬火剂以获得适当的淬火速度是很重要的问 题。本实验选用水作为淬火剂。教授学生如何确定 淬火加热温度、保温时间
7、及选取淬火剂，加深对Fe Fe C相图和C曲线的理解和运用。 回火工艺确定：回火是紧跟着淬火的热处理操 作，其目的是为了消除在淬火时产生的内应力，虽 降低了硬度，但韧性可以大大地提高，并使淬火后 不甚稳定的组织趋向稳定，回火温度均在AC，温度 以下。对于40Cr钢，在实验教学中选取加热温度 375，保温时间30分钟进行回火处理。 正火工艺确定：正火的目的在于消除晶粒粗大， 消除热加工缺陷等。对于40Cr钢，采用加热温度 845，保温时问15分钟对其进行正火处理，可以 同淬火的样品一并放入箱式炉中进行加热，节约了 有限的教学时间。 硬度测试：采用洛氏硬度计对经过不同热处理 后的40Cr钢样品进行
8、硬度测试。经过淬火、回火及 正火后40Cr钢样品的硬度分别为HRC5560、 HRC4246及HRC2025。在测试过程中，让学生 亲自动手测量，学会洛氏硬度计的使用。 观察显微组织：制备金相样品，使用金相显微 镜对经过不同热处理后40Cr钢的显微组织进行观 察。对于40Cr钢，淬火后的显微组织是针叶状的马 氏体和残余奥氏体，奥氏体分布在马氏体针叶问呈 白亮的区域；回火后的组织为回火托氏体；正火后 的组织中有珠光体存在。 4 实验步骤 (1)将学生分组，每组3名，准备3个样品， 热处理前将样品打上号码。 (2)将箱式炉升温至845，然后将样品放人 炉内，保温15分钟。 (3)取出一个样品进行淬
9、火处理，迅速放人冷 水中，边搅拌边对样品进行冷却。 (4)取出一个样品置于空气中自然冷却，进行 正火处理。 (5)将淬火后的样品放人375 cI=的箱式炉中保温 30分钟，然后随炉冷却，进行回火处理。 (6)样品热处理完毕后，将样品一个端面上的 氧化皮磨去，然后使用洛氏硬度计测量硬度，对比 样品在经过淬火、正火和回火后的硬度差别。 (7)硬度测量后，制备金相样品，在金相显微 镜下观察其金相组织，并画出其金相组织结构。 5 结 语 在本实验教学中，让学生学习热处理技术，熟 悉箱式炉、洛氏硬度计及金相显微镜的使用方法。 通过对40Cr钢进行不同热处理后，硬度变化和显 微组织的关系分析，加深学生对材
10、料研究“三要 素(设计与制备组成与结构性能与用 途)”的理解，与材料科学基础课程的教学相 适应。 参考文献： 1陈玉珍，马宝山材料科学摹础实验教学改革研究与实践 J高校实验室工作研究，2010，2：109110 2王小槐，张照军材料科学基础综合设计型实验教学的探索 J实验室研究与探索，2004，23(1)：6264 3葛利玲，赵康，白力静，等“材料科学基础”实验课教学改 革与实践J高校实验室工作研究，2009，4：1012 4刘亚云，周勇敏，曾建容，等改革创新建立材料类专业实验教 学中心J实验室研究与探索，2008，27(4)：7880 (上接第2页) 技术、单螺杆水力机械、海洋石油工程概论、采油 装备概论、石油装备机电系统的计算机控制等课程 的实验教学。 4 结 语 对石油机械实验教学的改革符合当前对应用性 人才的培养要求，符合用人单位对石油机械方向人 才的应用能力和实践能力的需求。 参考文献 1耿峰，张倩应用型高校城市轨道交通车辆专业人才培养模 式初探J重庆交通大学学报(社会科学版)，2007，4：110 112 2陈建军以创新撬动独立学院人才培养模式改革J中国高等 教育，201l，l7：4849 3饶凌平，胡 钋，华晓梅校企结合人才培养模式的探索与实践 J中国电力教育，2009，10：3536
