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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 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。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
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