“工程材料及成型技术基础”课程的综合教学方法

第３６卷第３期　辽宁科技大学学报　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．３　２０１３年６月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｊｕｎ．２０１３　“工程材料及成型技术基础’’课程的　综合教学方法　高　旭，陈晓红　（ｉＴ－宁科技大学机械工程与自动化学院，辽宁鞍山　１１４０５１）　摘　要：“工程材料及成型技术基础’’课程内容多而繁杂，理论抽象难于理解，各知识点分散，不便于记忆，学　生掌握相互联系难度较大。针对课程教学中的这些问题，提出一种综合教学方法，建立起各章内容的内在联　系，以相图为主线，用相图指导选材和各种工艺，总结防止产生应力变形与裂纹的各种工艺方法，用典型零件　将从选材到成型工艺再到热处理工艺课程内容串联起来，找出各类零件结构工艺性的通用规律及各自特点，　从而有助于学生理解与记忆，抓住重点及难点，达到良好的教学效果。　关键词：工程材料；成型技术；相图　中图分类号：Ｇ６４２．４文献标识码：Ａ文章编号：１６７４—１０４８（２０１３）０３—０２３３—０４　在机械设计制造过程中，正确选择材料是提高产品质量、降低成本、节约能源和开发新产品的重要　环节。材料知识是机械工程师应必备的知识Ｌ】　］。“工程材料及成型技术基础”是机械类专业的一门重　要专业基础课，是从基础课学习过渡到专业课学习的衔接课程『５］。课程要求学生掌握有关工程材料的　基本理论以及性质和用途，零件加工及成型工艺的基础理论以及特点和应用；了解常用材料成分和组织　性能与改性工艺和加工工艺间的关系；使学生初步学会选用材料和确定成型方法的能力，根据机械零件　使用条件和性能要求进行机械零件合理选材及制定加工工艺路线的初步能力；为今后学习和设计工作　打下良好基础　。ｊ。　机械类专业学生对“工程材料及成型技术基础”课程的困扰可以总结为：相图抽象难于理解；改性工　艺及成型技术内容多而繁杂；建立不起来相互联系；不好记忆。本文介绍经过多年改革与实践摸索出的　课程综合教学方法。　１　以相图为主线指导选材和各种工艺　学生学习“工程材料及成型技术基础”课程遇到的第一个难点和重点内容是相图。难点在相图过于　抽象，重点在相图应用贯穿课程的始终。如果学生不能理解相图，对后续的选材和各种工艺学习只能进　行简单的机械记忆而无法真正理解；如果学生不能建立起相图与选材和各种工艺的内在联系，课程所学　知识就会呈现碎片化。因此，理解掌握和利用相图是建立课程内容紧密的内在联系的重要途径。　１．１相图建立　学生对相图难理解主要是思维方式不适应。在课程讲解前，重点强调学生要接受一种新的思维方　式。讲授课程首先让学生充分理解最为简单的匀晶相图；再通过比较推理方法讲授共晶相图，两者变化　是固态下由无限互溶变为有限互溶，使液相结晶趋势变化而得到。采用类比推理方法，将共晶相图的母　相由液相换成固相得到共析相图。最后将共晶相图与共析相图结合起来，获得简化的铁碳相图。　收稿日期：２０１３—０２—１８。　作者简介：高旭（１９６６一），男，辽宁鞍山人，副教授。　辽宁科技大学学报　第３６卷　１．２指导选材　工业纯铁强度低，导磁率高，矫顽力低，可作软磁材料。例如，各种电机的铁芯。低碳钢塑性好且韧　性高，用于冲压件，焊接件，抗冲击结构件，渗碳件。中碳钢具有较好强度以及塑性和韧性，用于轴和齿　轮等。中高碳钢有较高弹性极限和屈服强度，以及一定的韧性和抗疲劳能力，用于各种弹簧和锻模等。　高碳钢的强度和硬度高，耐磨性好，用于各种工具和模具等。白口铸铁硬而脆，用于制造耐磨不受冲击　和形状复杂的铸件。例如，冷轧辊和犁铧等。合金的铸造性能取决于合金的流动性和收缩性能。共晶　成分铸铁，凝固温度区间最小，凝固温度最低，已凝固层内表面光滑，流动性好，收缩率低，铸造性能最　好。所以，铸铁的成分总是选择在共晶点附近。铸钢通常选择结晶温度区间较小，含碳量０．１５　～　０．６　，有较好的铸造性能。焊接是极不平衡的热循环过程，各部位因热胀冷缩和塑性变形，必将产生内　应力和变形，甚至裂纹。焊缝及热影响区受拉，为防止产生裂纹，要求焊接材料结晶温度范围窄和具有　较好的塑性。因此，焊件一般使用低碳钢或低合金钢。　１．３指导各种工艺　对于热处理，Ａ１线、Ａ３线和Ａｃｍ线，是制定退火、正火和淬火的加热工艺的依据。退火和淬火加　热温度，亚共析钢在Ａ３线以上保证先共析铁素体溶人奥氏体；过共析钢在Ａ１线以上，减少二次渗碳体　溶入奥氏体。正火要完全奥氏体化，抑制先共析铁素体或二次渗碳体的析出，细化晶粒。　．　对于塑性加工，奥氏体强度低，塑性好，变形抗力小，锻造和轧制等都是把钢加热到单相奥氏体状　态。根据相图可确定各钢种的锻造温度范围。　２　防止应力变形与裂纹的各种工艺　加工零件的各种工艺都围绕生产出合格产品这一中心目的。各种工艺方法表面上形式各不相同，　但共同之处是都面对同样的问题：防止产生应力变形与裂纹。　２．１热处理　在淬火获得马氏体过程中：冷速快，晶格由面心立方变为体心立　方导致体积膨胀，过饱和碳固溶在　马氏体中，三方面原因必然产生内应力。防止方法是在保证奥氏体不分解前提下尽量降低冷却速度，使　马氏体转变在缓冷条件下进行，或等温转变为下贝氏体。降低或消除内应力的措施是淬火后进行回火，　促使马氏体分解，降低ａ相中碳过饱和度，从而降低或消除内应力。　２．２　塑性加工　金属冷态下塑性变形后，多晶体晶粒有各种位向及受晶界的约束，变形先后和大小不一致，造成变　形不均匀，晶粒内部和晶粒间会形成残余应力。消除方法是退火。金属经过热变形后，获得细化的再结　晶组织，无残余应力和形变强化，力学性能会有很大提高。　２．３铸造　合金收缩是一种物理属性，液态及凝固收缩是铸件产生缩孔和疏松的基本原因；固态收缩是铸件产　生应力、变形和裂纹的基本原因。所以，收缩率低和流动性好的合金易于补缩，铸造性能好。灰口铸铁　成分接近共晶，流动性好，收缩率低，为脆性材料，以预防应力为主，应采用同时凝固；铸钢成分远离共　晶，熔点高，收缩率高，工艺以顺序凝固为主进行补缩。　２．４　焊　接　焊缝及热影响区加热时膨胀，受周边冷金属阻碍会产生压缩变形。冷却时受冷金属阻碍，不能缩短　到自由收缩应达到位置而产生残余拉应力。防止焊接应力的方法是：（１）设计时，尽量减少焊接量，避　免焊缝截面过大过长和密集交叉；选用塑性好的材料。（２）施焊时，正确确定焊接次序。（３）焊前预热。　（４）焊接中，采用小能量焊接方法或锤击焊缝。需要消除焊接应力时，采用焊后去应力退火或振动方法。　焊件变形主要是由焊接应力引起，预防应力可防止焊接变形。防止焊接变形的措施还有：（１）设计　用对称或大刚度结构，焊缝对称分布。（２）施焊用反变形或刚性夹持，正确选择焊接参数和次序。　第３期　高旭，等：“工程材料及成型技术基础”课程的综合教学方法　３　串联课程内容的典型零件　课程的目的之一是使学生能够根据机械零件使用条件和性能要求，对机械零件进行合理选材及制　定零件加工工艺路线。因此，根据机械零件使用条件和性能要求，将其分成几大类，每一类零件的选材　及加工工艺路线均有相似之处。将其归纳总结，可将课程内容从选材到成型工艺再到热处埋工艺串联　起来，建立起各章节内容的内在联系。　３．１冷冲压件和焊接件　这种零件大多含碳量在０．２　以下，有良好塑性和韧性来保证良好的冷成形和焊接。选材：０８Ｆ　钢，Ｑ２３５钢，１６Ｍｎ钢，等。在保持良好工艺性能和韧性前提下，为进一步提高强度和其他性能，可加入　少量合金元素，例如，Ｑ３４５钢，等。这类钢通常不进行热处理，大多数是在热轧状态下或热轧后正火状　态下成型。　３．２渗碳件　渗碳件要求表面硬而耐磨，心部具有较高的韧性和足够强度，满足冲击耐磨条件下工作机器零件要　求，例如，汽车变速齿轮，内燃机凸轮，等。选材：含碳量约０．２　的渗碳钢，２Ｏ　钢，２０ＣｒＭｎＴｉ钢，等；成　型工艺：锻造；预备热处理：正火；最终热处理：渗碳＋淬火＋低温回火。　３．３轴类和连杆件　这类零件要求有良好的综合力学性能，高水平强度以及塑性和韧性配合，是满足较复杂工作载荷的　重要零件。选材：含碳量约０．４　的调质钢，４５钢，４０Ｃｒ钢，等；成型工艺：锻造；预备热处理：退火；最终　热处理：调质处理。有表面硬度要求的还要进行表面淬火＋低温回火。　３．４　弹　簧　’　弹性元件要求有高的屈服点、屈强比和疲劳强度，适应使用要求的韧性和塑性。选材：含碳量在　０．　６　左右的弹簧钢，６５Ｍｎ钢，６０Ｓｉ２Ｍｎ钢，等；预备热处理：退火；最终热处理：淬火＋中温回火。　３．５滚动轴承　‘　这种零件要求有高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度，以及足够的韧性，满足工作时承受较大局部交　变载荷、滚动体和套圈间的极大接触应力。选材：平均含碳量不小于１．０　的轴承钢，ＧＣｒ９钢，　ＧＣｒｌ５ＳｉＭｎ钢，等；成型工艺：锻造；预备热处理：球化退火；最终热处理：淬火＋低温回火。　３．６低速切削的刃具　锉刀和丝锥等，要求硬度大于６０ＨＲＣ，有一定的热硬性，足够的韧性和塑性。选材：高碳的碳素工　具钢或低合金工具钢，Ｔ１２钢，９ＳｉＣｒ钢，等。成型工艺：锻造；预备热处理：球化退火；最终热处理：淬火　＋低温回火。　’　３．７高速切削刀具　这种零件要求是保证高的热硬性。选材：高速钢，Ｗｌ８Ｃｒ４ｖ钢，Ｗ６Ｍｏ５Ｃｒ４Ｖ２钢，等；成型工艺：锻　造，必须反复锻透，以便碳化物细小弥散分布；预备热处理：球化退火；最终热处理：高温淬火＋多次高温　回火。　．　３．８机架和箱体类零件　这类零件形状不规则，结构比较复杂并带有内腔，一般受力不大，以受压应力为主，要求有良好的刚　度以及减振性和耐磨性。选材及成形工艺：在多数情况选用灰口铸铁进行铸造成形；热处理：对铸铁件　一般要进行去应力退火；对于强度以及塑性和韧性等要求高的零件或需要焊接的零件，可选用铸钢；为　消除粗晶组织和偏析及铸造应力，对铸钢应进行扩散退火或完全退火。　４　工艺通用规律和各自特点　各类零件结构设计时，其工艺一般都会有一些共同的或相似的要求，同时又会有其各自的特点。掌　・　２３６　・　辽宁科技大学学报　第３６卷　握这些规律和特点，可为今后学习和设计工作打下良好基础。　热处理零件，铸件，模锻件，冲压件，焊接件，等等，其结构工艺都要求零件要壁厚均匀，圆弧过渡，形　状对称。但是，各类零件的结构工艺性各自特殊性：铸件要便于起模并且不阻碍自由收缩。自由锻件要　避免复杂结构。模锻件要有一个合理的分模面，避免深孑Ｌ或多孔结构。冲裁件要避免孔过小。弯曲件　要考虑最小弯曲半径和材料纤维方向避免弯裂。拉深件要求圆角半径大于最小允许值。焊接件焊缝的　布置要求：尽可能分散，便于焊接操作，避开最大应力和应力集中位置及机加工表面。　５　结　语　“工程材料及成型技术基础”课程教学应打破各章节的界限，将相对独立的各章节内容建立了内在　的联系，使学生系统化学习相关理论，形成一个有机的整体知识结构，有助于理解和记忆。同时，对学生　的预习和自主学习提出具体要求。讲授过程中，明确学生应该预习的章节内容和重点复习内容，课后及　时进行辅导答疑，指导学生自学，以取得更好的教学效果。　参考文献：　Ｅｌｉ吕广庶，张远明．工程材料及其成形技术基础［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２０１１：１．　［２］孙康宁，李爱菊．工程材料及其成形技术基础［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００９：１．　［３］刘颖，李树奎．工程材料及成形技术基础［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，２００９：ｌＩ　［４３高玉芳，王世刚，张文华，等．工程材料及材料成型技术基础课程教学改革之学生心理初探［Ｊ］．黑龙江科技信息，２０１２　（３４）：１６７．　［５３吴伟辉．地方本科院校《工程材料及成型技术基础》课程教学研究ＥＪ］．学理论，２０１１（１８）：２５０—２５２．　［６］黄秀玲．《工程材料及材料成型技术基础》课程教学改革初探［Ｊ］．科教文汇（中旬刊），２００７（７）：１１４．　［７３孙方红，徐萃萍．改革工程材料与成型工艺课程教学培养应用创新型人才［Ｊ］．中国冶金教育，２０１１（３）：２３—２４．　Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　‘‘ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ａｎｄ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ’’ｃｏｕｒｓｅ　ＧＡ０Ｘｕ，ＣＨＥＮ　Ｘｉａｏｈｏｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ａｎｓｈａｎ　１１４０５１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ“ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ａｎｄ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”ｃｏｕｒｓｅ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｍｕｌｔｉｆａｒｉｏｕｓ。ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｉｓ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ　ｔｏ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ，ｉｔ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ｐｏｉｎｔｓ．　Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅｓｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ａ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｃｏｎｎｅｃｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｉｎ　ｅａｃｈ　ｃｈａｐｔｅｒ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｌｉｎｅ　ｔｏ　ｃｈｏｏｓｅ　ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　ａｌｌ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｐｒｏｃｅｓ－　ｓｅｓ．Ｖａｒｉｏｕｓ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｃａｎ　ｐｒｅｖｅｎｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｒａｃｋ．Ｔｈｅ　ｃｏｕｒｓｅ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｃｏｎｎｅｃｔ－　ｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｐａｒｔｓ　ｆｒｏｍ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ．　ｆｉｎｄ　ｏｕｔ　ｔｈｅｉｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｒｕｌｅｓ　ｏｆ　ｐａｒｔｓ　ｔｏ　ｈｅｌｐ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ　ａｎｄ　ｒｅｍｅｍｂｅｒ，ａｎｄ　ｈｏｌｄ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ　ｐｏｉｎｔｓ，ｉｔ　ｈａｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ａ　ｇｏｏｄ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｆｏｒｍｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｐｈａｓｅ　ｄｉａｇｒａｍ　（Ｒｅｅｅｉｖｅｄ　Ｆｅｂｒｕａｒｙ　１８，２０１３）