淺談古今中外有關(guān)《金屬材料與熱處理》的例子

【摘 要】孔子說(shuō)過(guò)：知之者，不如好之者，好之者，不如樂(lè)之者。興趣是學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)中最活躍的成分，一旦激發(fā)出來(lái)就會(huì)使學(xué)生的求知欲望充分調(diào)動(dòng)起來(lái)，提高起學(xué)生的主觀能動(dòng)性，從而克服學(xué)習(xí)中的困難，學(xué)到知識(shí)，真正地做到好之、樂(lè)之。

【關(guān)鍵字】興趣 舉例子 寓教于樂(lè) 事半功倍

《金屬材料與熱處理》這門(mén)課是一門(mén)專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，與現(xiàn)實(shí)連接緊密的一門(mén)課，他內(nèi)容豐富，亮點(diǎn)多。我們要想學(xué)好這門(mén)課并不難，只需要我們與現(xiàn)實(shí)多聯(lián)系，多掛鉤，就可以了。也就是說(shuō)，我們?nèi)绻嗯e例子來(lái)講授這門(mén)課，就可以寓教于樂(lè)，起到事半功倍的效果。孔子說(shuō)過(guò)：知之者，不如好之者，好之者，不如樂(lè)之者。興趣是學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)中最活躍的成分，一旦激發(fā)出來(lái)就會(huì)使學(xué)生的求知欲望充分調(diào)動(dòng)起來(lái)，提高起學(xué)生的主觀能動(dòng)性，從而克服學(xué)習(xí)中的困難，學(xué)到知識(shí)，真正地做到好之、樂(lè)之。

例如，講到金屬的性能這一章的時(shí)候，我們可以舉學(xué)生身邊的生產(chǎn)、生活中的例子，你像“金項(xiàng)鏈?zhǔn)怯媒鹱又谱鞯摹?、“易拉罐是用鋁做的”、“車(chē)床的床身材料是鑄鐵的”、“電線是銅芯的”、“防護(hù)網(wǎng)是用不銹鋼制造的”、“香煙盒的內(nèi)包裝是錫紙的”等等這些活生生的與自己緊密聯(lián)系在一起的生活常識(shí)，會(huì)很容易激發(fā)起他們的學(xué)習(xí)興趣。

在講到金屬的力學(xué)性能時(shí)，我們可以先舉硬度的例子，小刀削鉛筆和刻畫(huà)玻璃，前者小刀比鉛筆硬，后者玻璃比小刀硬，說(shuō)明硬和軟是相對(duì)的；醫(yī)生打針的針頭既不能太硬也不能太軟，針頭太硬會(huì)發(fā)脆容易折斷使病人痛苦，針頭太軟會(huì)卷口給病人帶來(lái)痛苦。然后我們?cè)儆孟旅孢@個(gè)例子，講一下金屬的力學(xué)性能。泰坦尼克號(hào)郵輪堪稱(chēng)當(dāng)時(shí)世界上最大最豪華、設(shè)計(jì)最先進(jìn)的郵輪，但就是這艘被稱(chēng)為“永不沉沒(méi)”的海上都城，在與冰山的一次沖撞后，產(chǎn)生了90多米的大裂紋，并在短短3個(gè)小時(shí)后就沉沒(méi)了。這是人類(lèi)航海史上的一次悲劇，他的沉默也是近一百年來(lái)的未解之謎。后來(lái)，也就是二十世紀(jì)初，科學(xué)考察隊(duì)才開(kāi)始到水下對(duì)殘骸進(jìn)行考察，并收集了殘骸的金屬碎片供科研用，這些碎片以及沉船在海底的狀況使人們終于解開(kāi)了首航一千五百人喪生之謎。當(dāng)時(shí)，只知道用鐵造的船比木頭造的船要結(jié)實(shí)，卻沒(méi)考慮其韌性，才造成了這艘巨輪的沉沒(méi)，這些例子給學(xué)生們留下了深刻的印象。

關(guān)于金屬的疲勞現(xiàn)象，我們知道，許多機(jī)械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，都是在交變應(yīng)力作用下工作的。雖然工作應(yīng)力的最大值低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的工作也會(huì)發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為金屬的疲勞。我們可以舉這樣一個(gè)例子來(lái)提高同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣。在第二次世界大戰(zhàn)中，有這樣一個(gè)戰(zhàn)例，當(dāng)時(shí)法西斯德國(guó)派出轟炸機(jī)頻頻轟炸英國(guó)領(lǐng)土，英國(guó)皇家空軍駕駛戰(zhàn)機(jī)空中攔截，戰(zhàn)況慘烈。突然，在不長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，英國(guó)戰(zhàn)機(jī)相繼墜落，機(jī)毀人亡。英軍方對(duì)墜落飛機(jī)介入調(diào)查，最初的結(jié)論認(rèn)為，德國(guó)是否發(fā)明了什么新式武器，因?yàn)樵趬嬄滹w機(jī)的殘骸上，無(wú)任何的彈痕，從而引起一片恐慌。但隨著調(diào)查的深入，最終正確的結(jié)論是：這些墜落的戰(zhàn)機(jī)無(wú)一例外的是由于疲勞現(xiàn)象的發(fā)生而墜毀的。也就是說(shuō)，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的零件出現(xiàn)了疲勞斷裂。上課時(shí)在講到疲勞現(xiàn)象時(shí)，我們應(yīng)用這樣的例子學(xué)生們肯定會(huì)聽(tīng)得津津有味，趣味橫生。

講到“過(guò)冷”現(xiàn)象時(shí)，我們可以知道金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度總是低于理論結(jié)晶溫度，這是為什么呢？這是因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬的冷卻速度不可能非常緩慢，總是在一定的冷卻介質(zhì)中以一定的速度進(jìn)行冷卻，如空氣、油、水中冷卻。因此實(shí)際發(fā)生結(jié)晶的恒溫溫度總要比理論結(jié)晶溫度低，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“過(guò)冷”現(xiàn)象。

在學(xué)習(xí)金屬的同素異構(gòu)現(xiàn)象時(shí)，我們可以舉這樣的例子。在常溫下，一些固態(tài)金屬在不同的溫度范圍里，具有不同的晶格。例如，鈦在882℃以下具有密排六方晶格，而在882℃以上直至熔化以前，它卻以體心立方晶格的形式存在，其他金屬像鐵、鈦、錳、錫、鈷等，它們都具有核心和相類(lèi)似的性質(zhì)。例如熱脹冷縮的試驗(yàn)，它并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。首先取一根直徑為2mm左右，長(zhǎng)約1-2米的鐵絲，兩端固定在支架上，通一電流，使之緩慢加熱，隨著電流的增加，我們發(fā)現(xiàn)，鐵絲受熱膨脹而逐漸下垂。當(dāng)加熱到鐵絲呈橙色（約910℃以上）時(shí)，鐵絲突然發(fā)生回升現(xiàn)象，表明此時(shí)鐵絲受到收縮。相反，鐵絲由高溫（約1000℃左右）逐漸冷卻時(shí)，達(dá)到某一溫度會(huì)有冷卻時(shí)的深長(zhǎng)現(xiàn)象，為什么鐵絲受熱會(huì)有收縮現(xiàn)象，而遇冷又有伸長(zhǎng)現(xiàn)象呢？這種現(xiàn)象說(shuō)明了熱脹冷縮并不是無(wú)條件的。之所以出現(xiàn)了上述狀況，主要是因?yàn)榻饘僭跍囟劝l(fā)生變化時(shí)，會(huì)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，就是金屬元素不同條件下晶格之間的轉(zhuǎn)變。

關(guān)于晶格的畸變現(xiàn)象，我們可以這樣來(lái)講。我們將金屬原子的規(guī)則排列抽象化，引出晶格的概念。當(dāng)金屬原子那樣排列時(shí)，內(nèi)部原子的排列是非常整齊的，一點(diǎn)兒缺陷都沒(méi)有。但是像這樣理想的晶體，在自然界中幾乎是不存在的，實(shí)際使用的金屬材料中，由于加進(jìn)了其他種類(lèi)的外來(lái)原子以及材料在冶煉后的凝固過(guò)程中受到各種因素的影響，使本來(lái)該有規(guī)律的原子堆積方式受到干擾，不象理想氣體那樣規(guī)則。晶體中出現(xiàn)的各種不規(guī)則的原子堆積現(xiàn)象稱(chēng)為晶體缺陷，即實(shí)際晶體中原子排列得不完整性，常見(jiàn)的晶體缺陷有以下幾種，即：空位和間隙原子，置代原子，位錯(cuò)晶界和亞晶界等。正是由于晶體中出現(xiàn)上述的結(jié)構(gòu)缺陷，因此會(huì)造成晶格發(fā)生畸變，難與金屬?gòu)?qiáng)度的提高聯(lián)系起來(lái)，例：班內(nèi)每個(gè)同學(xué)相當(dāng)于原子，整個(gè)班集體就好比我們所講述過(guò)的晶格，“空位”相當(dāng)于一個(gè)或幾個(gè)同學(xué)缺勤，“間隙”原子相當(dāng)于班內(nèi)的某位同學(xué)未按排列整齊的座位去坐，而胡亂地坐在了某個(gè)位置，“錯(cuò)位”相當(dāng)于幾個(gè)同學(xué)位置錯(cuò)排等等。這樣一來(lái)，這個(gè)班集體還能是一個(gè)平衡穩(wěn)定的集體嗎？是不是這個(gè)班集體出現(xiàn)了缺陷呢？同學(xué)們肯定異口同聲地說(shuō)“是”。接下來(lái)的教學(xué)，我可以請(qǐng)兩位同學(xué)到黑板上做出我出的題目：一位同學(xué)畫(huà)出一個(gè)理想狀態(tài)下的體心立方晶格，一個(gè)畫(huà)出有“學(xué)生缺勤，亂坐座位”的體心立方晶格，兩位同學(xué)的表述完全正確。尤其是第二位同學(xué)畫(huà)得有缺陷的晶格七扭八歪的，真有趣。晶界、亞晶界的存在也會(huì)造成晶格畸變，這是由于實(shí)際金屬為多晶體，是由大量外型不規(guī)則的小晶體即晶粒組成的。

關(guān)于淬火熱處理工藝的例子更是引人入勝。在我國(guó)古代，公元前六世紀(jì)左右，鋼鐵兵器逐漸被采用，為了提高鋼的硬度，淬火工藝得到了迅速發(fā)展。以河北省易縣下都出土的兩把劍和一把戟為例，其顯微組織中都有馬氏體存在，說(shuō)明是經(jīng)過(guò)淬火的。歷史故事相傳，三國(guó)時(shí)諸葛亮帶兵打仗，請(qǐng)當(dāng)時(shí)的著名工匠蒲元為他的軍隊(duì)制造了3000把鋼刀，蒲元運(yùn)用了“清水淬其鋒”的熱處理工藝，使鋼刀削鐵如泥，從而打敗敵軍。從這些故事可知，淬火的主要目的是為了獲得馬氏體，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。

與介質(zhì)有關(guān)的例子是這樣的。相傳對(duì)我國(guó)淬火技術(shù)發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)的是南北朝人綦母懷文的故事?！侗笔贰匪d：“懷文造宿鐵刀，其法，，燒生鐵精以重柔鋌，數(shù)宿則成剛。以柔鐵為刀背，欲以五牲之溺，淬以五牲之脂，斬甲過(guò)三十札?！蔽迳莿?dòng)物油，淬火應(yīng)力小，變形開(kāi)裂傾向小，五牲之溺則含鹽水，冷卻能力強(qiáng)，淬硬層深，油水、鹽水淬火的冷卻速度，影響到了鋼件的質(zhì)量。如果工件表面的冷卻速度都大于材料的臨界冷卻速度，則工件的整個(gè)截面都能獲得馬氏體組織，即鋼被完全淬透，如中心部分的冷卻速度低于臨界冷卻速度，則表面得到馬氏體，心部獲得非馬氏體組織，工件未淬透。

講到有色金屬時(shí)，我們可以利用武器發(fā)展史上著名的“馬克沁”機(jī)槍的故事：以美國(guó)人馬克沁命名的機(jī)槍是世界上第一例自動(dòng)連發(fā)武器，它的設(shè)計(jì)速度特別高，一分鐘可以發(fā)射出600發(fā)子彈。在第一次世界大戰(zhàn)中，德國(guó)軍隊(duì)配置了大量的馬克沁機(jī)槍?zhuān)驍×水?dāng)時(shí)的英法聯(lián)軍，從而一戰(zhàn)成名，但馬克沁機(jī)槍也被人稱(chēng)為喝水的“機(jī)關(guān)槍”，為什么呢？原來(lái)，馬克沁機(jī)槍的射擊速度快，在長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)射擊后，槍管會(huì)由于高溫高壓氣體的沖擊而發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象，發(fā)紅、變軟、變形、強(qiáng)度下降，，射擊精度下降。為了持續(xù)射擊，必須冷卻槍管，在槍管外套一個(gè)水套，連上水箱，利用循環(huán)水為槍管降溫。這樣一來(lái)，也使得馬克沁機(jī)槍很笨重，只能在一個(gè)地方防御，機(jī)動(dòng)性較差。在今天的戰(zhàn)爭(zhēng)中，現(xiàn)代武器則著重于不斷進(jìn)行槍管材料的改進(jìn)和研發(fā)。因此，有不少耐高溫、抗變形的材料被用于制造槍管，火炮等戰(zhàn)爭(zhēng)武器，這些金屬因此被陳為“戰(zhàn)略金屬”。

關(guān)于復(fù)合材料于陶瓷的例子如下。2003年10月16日6時(shí)23分“神舟”五號(hào)飛船順利返回、安全著路，圓滿(mǎn)完成了中華民族首次載人航天飛機(jī)的偉大壯舉。消息傳來(lái)無(wú)不令人歡欣鼓舞，而在同年2月1日卻發(fā)生了轟動(dòng)全球的悲?。好绹?guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)在返回地球時(shí)爆炸，失去了7名宇航員，釀成了轟動(dòng)全球的航天事故。這是為什么？宇宙飛船和航天飛機(jī)他們的降落速度是非?？斓模跐饷艿拇髿鈱又?，速度極快的宇宙飛船和航天飛機(jī)的外壁由于與空氣激烈摩擦，要產(chǎn)生大量的熱，這就是所謂的“氣動(dòng)加熱”。科學(xué)家決定發(fā)明設(shè)計(jì)一件奇妙的“避火衣”?！吧裰邸蔽逄?hào)宇宙飛船返回艙外型為鐘形，外部是用耐高溫的材料制成。返回艙高2.5米，直徑邊為2.5m重量約3噸。宇宙飛船的“避火衣”是用“瞬時(shí)耐高溫材料”制成的，這是一種特殊纖維材料或多孔顆粒 加上有機(jī)物組成的，是一種低導(dǎo)熱復(fù)合材料，這一層材料不同部位的厚度是不同的，燃燒同時(shí)還形成了一層厚厚的多孔炭化物，僅僅附著在“返回艙”的外壁。宇宙飛船只用一次，航天飛機(jī)要在地球和太空往返75---100次，那么一次性自我犧牲式“避火衣”就不能適用了。宇宙飛船用的材料竟然是陶瓷，當(dāng)然與古老的陶瓷大不相同，它是新型復(fù)合高溫陶瓷，主要由耐高溫的碳化物、氮化物、氧化物（如碳化硅、氮化硼、氧化錳等）材料制成，經(jīng)過(guò)現(xiàn)代特殊工藝加工制成。

我們?cè)谝院蟮慕虒W(xué)中如果應(yīng)用上這些實(shí)例，定會(huì)使課堂生動(dòng)活潑，使同學(xué)們?cè)诓恢挥X(jué)中得到知識(shí)，這種寓教于樂(lè)的教學(xué)方法，會(huì)使我們的教學(xué)生涯充滿(mǎn)了樂(lè)趣。

【參考文獻(xiàn)】

[1]羅會(huì)昌 《金屬工藝學(xué)》人們教育出版社

[2]李煒新《金屬材料與熱處理》機(jī)械工業(yè)出版社2005

[3]唐申、邱玉郎 中國(guó)古代金屬熱處理 試論退火、淬火、正火與回火[J]材料熱處理學(xué)報(bào)]2001

[4]張作友、張克難得一見(jiàn)的瑞士MG11馬克沁重機(jī)槍[J]輕兵器2005（18）