《材料科學(xué)基礎(chǔ)》晶界部分知識(shí)點(diǎn)的擴(kuò)展性教學(xué)

尹文紅 方曉英 谷萬(wàn)里 秦聰祥 郭娜娜

摘 要：為了提升課程的教學(xué)質(zhì)量，嘗試在教學(xué)過(guò)程中適當(dāng)和科研工作相結(jié)合，把抽象的晶界通過(guò)晶界分類及幾何描述使其“真實(shí)具體”化。實(shí)踐證明，這種做法能提高學(xué)生的課堂注意力，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)，使學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度并激發(fā)對(duì)材料科學(xué)的興趣，有利于學(xué)生對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，從而提升了教學(xué)水平，提高了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：材料科學(xué)基礎(chǔ) 晶界 擴(kuò)展性教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）02（a）-0-02

材料科學(xué)基礎(chǔ)課程是材料成型及控制工程的一門(mén)重要的專業(yè)課，其內(nèi)容繁雜，知識(shí)抽象，學(xué)生普遍反映很多章節(jié)學(xué)習(xí)起來(lái)艱澀難懂，像“天書(shū)”一般，并且隨著高等教育倡導(dǎo)“寬口徑，厚基礎(chǔ)”的培養(yǎng)理念以來(lái)，每門(mén)專業(yè)課程的學(xué)時(shí)已做了很大程度的壓縮，這也加劇了本科生學(xué)習(xí)這門(mén)課程的難度。這門(mén)課程的教師教授質(zhì)量和學(xué)生接受程度直接影響到后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和教學(xué)效果。多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)告訴我們，學(xué)好這門(mén)課僅靠閱讀教材和課堂聽(tīng)講是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，絕大部分章節(jié)都需要在講解了基本知識(shí)點(diǎn)后進(jìn)行拓展學(xué)習(xí)，一方面提高學(xué)生的知識(shí)容量，另一方面也激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究精神。這一點(diǎn)對(duì)大學(xué)生尤為重要，他們不應(yīng)該只停留在“課本上寫(xiě)什么就學(xué)什么”， 教師應(yīng)引導(dǎo)和促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行“思考式”學(xué)習(xí)，這也要求教師必須開(kāi)展促進(jìn)學(xué)生思考的教學(xué)模式。該文結(jié)合山東理工大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)的“金屬材料與熱處理”方向的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教材中晶體中的晶界部分，介紹教師通過(guò)在晶界工程方面的科研工作開(kāi)展拓展式教學(xué)，并對(duì)此進(jìn)行探索和實(shí)踐，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，也取得了一定的效果。

晶界通常包含幾個(gè)原子層厚的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的原子排列甚至化學(xué)成分往往不同于晶體內(nèi)部。引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)晶體晶界的幾何和熱力學(xué)特性可有利于學(xué)生理解界面在材料成型過(guò)程中所表現(xiàn)出行為和性能。

1 晶界的分類

不論晶界和相界，從結(jié)構(gòu)構(gòu)成來(lái)看都無(wú)疑是合金組織中極微觀的組成部分，學(xué)生往往會(huì)先入為主地認(rèn)為它是一個(gè)不確定的抽象物體，是很難定義和掌握的概念。對(duì)它的認(rèn)識(shí)總有無(wú)從入手之感。這就需要老師在一開(kāi)始講授這個(gè)概念時(shí)，把它具象化，讓學(xué)生感到它是實(shí)實(shí)在在存在的并可以用多種方式表達(dá)和描述的一個(gè)“真實(shí)體”。比如，當(dāng)介紹晶界時(shí)，首先要明確一點(diǎn)：既然它是晶體的一部分，那么在該處原子排列就不是雜亂無(wú)章的，盡管它與晶體內(nèi)部的規(guī)則排列不同，但仍可以像單晶體那樣用一些幾何或數(shù)學(xué)方法來(lái)準(zhǔn)確或近似準(zhǔn)確的方式進(jìn)行描述。只不過(guò)在描述它之前要對(duì)其進(jìn)行逐級(jí)分類表述，如表1所示。國(guó)際通用分類方法是：小角度晶界和大角度晶界，后者又可以進(jìn)一步分為一般大角度晶界和特殊大角度晶界。特殊大角度晶界又有多種分類方法，可以按照晶界界定的兩個(gè)晶粒的點(diǎn)陣重合密度的倒數(shù)Σ來(lái)分類[1]，即CSL晶界；也可以按照O點(diǎn)陣和DSC點(diǎn)陣來(lái)分類。該課程將給學(xué)生適當(dāng)介紹一種（CSL晶界），其他即可觸類旁通了。其實(shí)，不論哪種分類方法，對(duì)晶界描述最多的是用軸角對(duì)（/θ）形式，即以相鄰兩個(gè)晶粒的公共軸l（）轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)角度θ來(lái)表示。如果還學(xué)考慮晶界面在兩個(gè)晶粒的微觀坐標(biāo)系中晶體學(xué)位向，即它們的法向矢量n1和n2，則其具體分類描述如表1所示。

2 晶界幾何描述方式及其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系

從表1可以總結(jié)出晶界幾何描述中的幾個(gè)重要參數(shù)：旋轉(zhuǎn)軸l（），旋轉(zhuǎn)角度θ（這兩者一般成對(duì)出現(xiàn)，記做l/θ）， 重合點(diǎn)陣密度倒數(shù)Σ，晶界面法向矢量n1和n2。其實(shí)，這些參數(shù)之間并不是各自獨(dú)立的，彼此之間是可以互相換算或轉(zhuǎn)換的。從晶體學(xué)的表征上，晶界（包括相界）都可用5個(gè)參數(shù)[2]或宏觀自由度來(lái)表示，其中3個(gè)自由度為相鄰兩晶粒的取向關(guān)系，另外2個(gè)為界面的取向?？梢酝暾硎窘缑?個(gè)參數(shù)的記號(hào)歸納起來(lái)有下列幾種：（1）l/θ，n1或n2；（2）Σ，n1或n2；（3）n1/n2。Σ值和軸角對(duì)l/θ是相鄰兩晶粒取向關(guān)系的不同表達(dá)，以立方晶系為例，對(duì)應(yīng)最小轉(zhuǎn)角的軸角對(duì)與Σ（≤29）值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。若已知n1/n2， 則相鄰兩晶粒的轉(zhuǎn)換矩陣M可以根據(jù)n2=M×n1反求出。當(dāng)

M=時(shí)，

除了給同學(xué)們介紹晶界幾何描述方式及其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，還會(huì)把教師的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如不銹鋼、黃銅等的關(guān)于晶界特征分布的圖片給同學(xué)們展示，讓他們對(duì)晶界的印象更具象。實(shí)踐證明，課堂上用多種方法給晶界分類，即對(duì)晶界知識(shí)擴(kuò)展，會(huì)使學(xué)生的聽(tīng)課注意力大大提高。經(jīng)過(guò)幾屆學(xué)生的授課經(jīng)驗(yàn)可知，結(jié)合教師的科研，對(duì)授課內(nèi)容進(jìn)行必要的補(bǔ)充，大大提高了教學(xué)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

在教學(xué)過(guò)程中和科研工作相結(jié)合進(jìn)行擴(kuò)展性教學(xué)，把抽象的晶界用幾何方式描述，加深學(xué)生對(duì)晶界這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。實(shí)踐證明，擴(kuò)展式教學(xué)能提高學(xué)生的課堂注意力，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)，使學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度并激發(fā)對(duì)材料科學(xué)的興趣，從而提高了教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 金濤，朱靜.晶界結(jié)構(gòu)重位點(diǎn)陣中∑值的測(cè)定[J].電子顯微學(xué)報(bào)，1994（6）：463.

[2] Kim C S， Hu Y， Rohrer G S， et al. Five-parameter grain boundary distribution in grain boundary engineered brass[J].Scripta Materialia，2005，52（7）：633-637.