金相實驗教學標準試樣的研制與應(yīng)用

黃 鵬， 孫建林， 劉亞東， 唐志君

（1.北京科技大學材料國家級實驗教學示范中心，北京100083；2.北京科大分析檢驗中心有限公司，北京100083）

0 引 言

當前我國高等教育面臨的一個突出問題是校際教學質(zhì)量差距大、區(qū)域發(fā)展不平衡［1］。國家級實驗教學示范中心的設(shè)立，對推廣高校優(yōu)質(zhì)實驗教學資源，提高高人才培養(yǎng)質(zhì)量、消除教學水平差距發(fā)揮了重要作用［2-3］。而示范中心示范作用的發(fā)揮，國家級精品課程的推廣，協(xié)同教學需要有統(tǒng)一標準化的實驗教學基礎(chǔ)支撐與保障［4-5］。

材料國家級實驗教學示范中心結(jié)合國家級精品課程建設(shè)，設(shè)計、研制系列金相標準試樣，廣泛應(yīng)用于金相實驗教學［7］、大學生科研訓練計劃（SRTP）、大學生專業(yè)學科競賽［6-7］、中學生科普活動和廠礦企業(yè)研究等方面，為實驗教學、競賽和科研培訓等活動提供了標準、統(tǒng)一、便捷的樣品平臺，對發(fā)揮示范作用、推廣優(yōu)質(zhì)教學資源產(chǎn)生了積極推動作用。

1 高品質(zhì)金相試樣保障金相實驗教學質(zhì)量

金相學是研究金屬材料組織的一門學科，通過對金屬材料宏觀和微觀組織的觀察分析，來研究金屬組織成分、結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，是材料、機械、冶金等專業(yè)高級人才培養(yǎng)中非常重要的內(nèi)容［8］。金相實驗教學在金屬材料及相關(guān)專業(yè)實驗教學中占有非常重要的地位。

金相試樣直接影響金相實驗教學質(zhì)量［9-10］。從非專業(yè)生產(chǎn)的社會企業(yè)采購試樣用于實驗教學，常因不具備精準熔煉、復(fù)合機加工、熱處理調(diào)控組織等條件，存在成分不穩(wěn)定、組織、性能不可控、品種單調(diào)等諸多問題，極易影響金相實驗教學質(zhì)量。如，外購得到鍛造組織45 鋼、粒狀珠光體T8 鋼試樣，教師需再進行組織檢驗和熱處理，將樣品組織調(diào)整到實驗教學的理想狀態(tài)。費時費力而且耗費實驗教學經(jīng)費，如不經(jīng)檢驗和處理實驗教學無法正常進行。

成分穩(wěn)定、組織標準可靠的系列金相試樣，是金相實驗教學質(zhì)量的基礎(chǔ)和重要保障，對材料類專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的金相實驗教學［11-12］非常重要。同時，材料類大學生競賽、科研培訓活動，也需要標準、穩(wěn)定的高品質(zhì)金相試樣。

2 金相標準試樣的設(shè)計、制備和檢驗

2.1 金相標準試樣設(shè)計

針對上述問題，自2011 年起材料國家級實驗教學示范中心整合內(nèi)部實驗資源與條件，發(fā)揮學科優(yōu)勢，與優(yōu)質(zhì)教學資源相結(jié)合，由國家教學名師、北京市教學名師參與開發(fā)研制了多個系列金相實驗教學標準試樣。如，結(jié)合國家精品課程、校級精品課程“材料科學基礎(chǔ)”“金屬學”“金屬材料學”等課程，考察其他高校材料類、機械類專業(yè)實驗課程，根據(jù)教學內(nèi)容和樣品成分，設(shè)計了鐵碳合金平衡組織系列（如表1）、合金鋼系列、鑄鐵系列、有色金屬合金系列等多個系列幾十種組織的金相標準試樣。

按使用方向可將金相標準試樣分為觀察用試樣（見圖1）和操作用試樣（見圖2）兩種。觀察用試樣為鑲嵌試樣，可供教師、學生直接觀察、分析組織；操作用試樣多為全金屬試樣，供學生進行實驗操作，也供專業(yè)學科競賽使用。

表1 鐵碳合金組織系列試樣

圖1 觀察用鑲嵌樣金相標準試樣

圖2 操作用全金屬金相標準試樣

此外，可根據(jù)需求開發(fā)研制具有特定成分和形狀，經(jīng)特定工藝制作具有特定組織的金相試樣。這是一般簡單加工企業(yè)無法做到的。

2.2 金相標準試樣制備

制備流程（見圖3）包括熔鑄、鍛造、熱處理、機加工、金相制樣5 個主要步驟。

圖3 金相標準試樣制備工藝流程

（1）真空熔鑄。采購所需高純度原料，根據(jù)試樣的國家標準或設(shè)計成分進行配比。合金成分控制是一項難點，使用真空感應(yīng)爐熔煉制備，保證高清潔度避免夾雜物，可精確控制化學成分；除需精確配置合金成分，還要預(yù)估損耗，并根據(jù)各合金成分的熔點、沸點和溶解度來制定合理工藝。采用精準真空熔煉可保證樣品材質(zhì)完全符合相應(yīng)國家標準或滿足設(shè)計合金成分要求。

（2）鍛造。將鑄錠鍛造成目標尺寸形狀，預(yù)留氧化脫碳層和機加工余量。

（3）熱處理。根據(jù)對材料顯微組織要求，設(shè)計熱處理工藝，確定保溫溫度、時間和冷卻方式，進行相應(yīng)熱處理。

（4）機加工。根據(jù)設(shè)計試樣用途，將合金坯料加工成需要尺寸；在此過程中，去除氧化脫碳層等在熱處理過程中因高溫氧化反應(yīng)成分發(fā)生偏差的坯料外層。

（5）金相制樣。對觀察用試樣進行鑲樣，隨后完成“粗磨→水磨→拋光→浸蝕→防氧化處理”的整套制樣流程。

2.3 成分與組織檢測

具有嚴格的檢驗制度和檢驗方式。制備好的標準試樣，必須經(jīng)成分、組織等檢驗。各批次試樣按比例抽檢，使用通過CNAS和CMA認證的賽默飛世爾直讀光譜儀進行成分測量（見表2），使用奧林巴斯激光共聚焦顯微鏡觀察檢驗金相組織。確保成分、組織等均合格后，每塊試樣將刻印唯一性編號。

表2 第五屆全國大學生金相技能大賽所供比賽試樣成分檢定表（優(yōu)質(zhì)鋼標準）

3 金相標準試樣的應(yīng)用

3.1 實驗教學應(yīng)用

金相標準試樣解決了實驗教學需要大量成分穩(wěn)定、組織正確金相試樣的問題。自2011 年以來材料科學與工程、高等工程師學院7 年共有2 500多名學生使用中心研制金相標準試樣接受實驗教學。其中，實驗課“過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的測量”使用試樣根據(jù)實際教學需求制作外形尺寸，大大方便學生的實驗操作，人均節(jié)省時間10 min以上。

鐵碳合金組織系列試樣應(yīng)用于“材料科學基礎(chǔ)”“金屬學”“金屬材料學”“金屬材料熱處理”等課程的實驗教學。學生觀察鐵碳合金試樣碳含量從小于0.021 8%逐漸增加至5%。根據(jù)教學要求還可增加特定碳含量的鐵碳合金觀察試樣。可結(jié)合相應(yīng)實驗教學虛擬實驗使用［13］，讓學生先使用觀察用試樣，學習標準金相組織的形貌、構(gòu)成，隨后使用操作用試樣進行實驗操作，最后對比個人實驗結(jié)果與標準試樣的差異進行分析，大大增強學生的實踐能力和分析能力。

實驗教學標準試樣可根據(jù)教學要求調(diào)整成分、組織形貌。自2015 年起，許多高校將實驗教學標準試樣應(yīng)用于自身實驗教學中（見表3），穩(wěn)定的成分、組織形貌和根據(jù)使用要求調(diào)整的外形有力保證了實驗教學順利進行。

表3 應(yīng)用金相標準試樣教學及培訓高校數(shù)量和使用量統(tǒng)計表

3.2 大學生科研訓練計劃（SRTP）應(yīng)用

在大學生科研訓練計劃（SRTP）中，系列金相試樣也得到廣泛應(yīng)用。材料及相關(guān)專業(yè)科研創(chuàng)新活動中，金相制樣后觀察分析材料組織是非常普遍和基礎(chǔ)的科研步驟。金相制樣是金屬材料及相關(guān)專業(yè)研究生的基本技能。加入大學生科研創(chuàng)新活動的很多一年級、二年級本科生尚未經(jīng)過專業(yè)課程教學。試樣成分均勻、組織穩(wěn)定，可保證參加SRTP 的大學生科研學習的正確性，培養(yǎng)大學生實踐能力。

3.3 大學生專業(yè)學科競賽應(yīng)用

金相標準試樣為專業(yè)學科競賽提供了質(zhì)量均一、確保比賽公平性的標準化試樣平臺。2011 年6 月首屆北京科技大學大學生金相實驗技能大賽開始使用該系列試樣進行比賽。至2016 年，標準試樣應(yīng)用于連續(xù)6 屆北京科技大學校內(nèi)大學生金相實驗技能大賽暨全國大學生金相技能大賽選拔賽，有力保障了比賽進行。2015 年教育部材料類專業(yè)教學指導委員會主辦第四屆全國大學生金相技能大賽，將中心研制標準試樣指定為大賽專用試樣。此后連續(xù)4 屆大賽相繼使用金相標準試樣作為復(fù)賽、決賽樣品（見圖4）。試樣受到大賽組委會、評委會和參賽高校師生的一致好評，對“以賽促學”提高學生學習積極性提高綜合素質(zhì)發(fā)揮了積極推動作用［14-16］。

圖4 2015 ～2019年全國大學生金相技能大賽提供標準試樣統(tǒng)計

3.4 科研實驗應(yīng)用

金相標準試樣解決了高校及廠礦企業(yè)研究所進行科研實驗時，需要定制試樣成分、組織及外形的問題。常有很多實驗教學尤其是科研實驗需要特定成分、組織試樣進行教學、實驗，而該成分合金無廠家生產(chǎn)。中心金相試樣可根據(jù)需要進行定制，打破了金相實驗教學或科研實驗在試樣成分、組織等方面的限制。

因為金相標準試樣生產(chǎn)過程精準，品質(zhì)穩(wěn)定可靠，具有先進性和實用性，自開發(fā)研制以來被大量使用。自2015 年至2019 年累計有全國210 多所高校、企業(yè)單位使用金相實驗教學標準試樣超過50 000 件。

4 建設(shè)成效

金相標準試樣的研制與應(yīng)用，徹底避免了因成分、組織不正確影響實驗教學的問題，并可根據(jù)實驗教學需求調(diào)整成分、組織、工藝步驟與外形尺寸，提高了實驗教學效率，便于本科實驗教學的開展，并為專業(yè)學科競賽提供可靠、公平的基礎(chǔ)平臺，使用效果良好。金相標準實驗的研制使用，有助于更多科研實踐活動的開展和本科生動手能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

同時，通過研制金相標準試樣，整合了國家級實驗教學示范中心的優(yōu)質(zhì)教學資源和儀器設(shè)備資源，提高了大型儀器設(shè)備利用率，打造了一支高水平科研生產(chǎn)隊伍。結(jié)合金相標準試樣拍攝編寫金相圖譜1 冊，通過標準試樣、金相圖譜和虛擬仿真實驗［13］結(jié)合推廣，發(fā)揮國家級實驗教學示范中心的示范作用，推動學科實驗教學水平發(fā)展。

5 結(jié) 語

北京科技大學材料國家級實驗教學示范中心結(jié)合優(yōu)質(zhì)教學資源，國家教學名師、北京市教學名師參與設(shè)計研制了多系列金相標準試樣。金相標準試樣的研制具有先進規(guī)范的生產(chǎn)工藝、嚴格的質(zhì)量檢驗，獲得北京科技大學實驗技術(shù)成果獎特等獎。金相標準試樣已在實驗教學、SRTP、大學生專業(yè)學科競賽、科研實驗等多領(lǐng)域應(yīng)用，評價反饋良好，為推廣優(yōu)質(zhì)教學資源、提升實驗教學質(zhì)量、推動大學生競賽開展發(fā)揮了重要作用，并發(fā)揮了國家級實驗教學示范中心的示范作用。