基于創(chuàng)新項(xiàng)目探索應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式

吳 騰，吳 潤(rùn)

（武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，武漢 430081）

0 引言

高校辦學(xué)治校的首要問(wèn)題是回答好“培養(yǎng)什么樣的人、如何培養(yǎng)人、為誰(shuí)培養(yǎng)人”。這是辦好中國(guó)特色社會(huì)主義大學(xué)的關(guān)鍵所在，是新時(shí)代高教思想給高校實(shí)驗(yàn)室管理體系建設(shè)提出的新內(nèi)涵與新要求［1］。我校是一所以鋼鐵冶金為特色高校，金屬材料工程專業(yè)又貼合社會(huì)實(shí)踐和工程應(yīng)用，提出以社會(huì)需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)思想素質(zhì)高、基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面廣、富有實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神的材料工程領(lǐng)域的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。面對(duì)世界各國(guó)都在加大新材料和新能源等領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)和突破，我國(guó)制造業(yè)也面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)，并適時(shí)提出了“中國(guó)制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略［2］和“新工科”建設(shè)［3］。為了應(yīng)對(duì)新形勢(shì)下發(fā)展需求，將先進(jìn)的前沿科研成果轉(zhuǎn)化為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源［4-5］，對(duì)培養(yǎng)具備實(shí)踐創(chuàng)新能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的工程應(yīng)用人才具有重要意義。

材料力學(xué)性能和材料科學(xué)基礎(chǔ)課程是材料類相關(guān)專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，傳統(tǒng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容較單一，主要是掌握實(shí)驗(yàn)原理和操作方法，不利于激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和探究能力［6-7］。我校通過(guò)改革傳統(tǒng)教學(xué)模式和教學(xué)方法，在課程教學(xué)中引進(jìn)汽車用先進(jìn)熱軋雙相鋼的介紹及研究進(jìn)展，構(gòu)建以問(wèn)題、項(xiàng)目為導(dǎo)向的教學(xué)模式，鼓勵(lì)學(xué)生參與多種形式的研究性學(xué)習(xí)，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)業(yè)精神［8-9］。我校在與某鋼鐵企業(yè)合作的同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入不同級(jí)別的雙相鋼板，學(xué)生基于材料力學(xué)性能和材料科學(xué)基礎(chǔ)相關(guān)理論及實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備去判別所給兩種雙相鋼的級(jí)別，使本科教學(xué)涉入工程實(shí)踐前沿內(nèi)容以提高其研究探索和工程應(yīng)用能力。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

雙相鋼作為先進(jìn)高強(qiáng)鋼具有高的強(qiáng)度、均勻伸長(zhǎng)率、初始加工硬化率和低的屈強(qiáng)比等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于車身結(jié)構(gòu)件、車輪、剎車盤和車架等。高強(qiáng)度熱軋雙相鋼的開發(fā)研制不僅具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和汽車的輕量化，符合“十三五”規(guī)劃的發(fā)展綱要，具有廣闊的應(yīng)用前景和顯著社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目取材于校企合作制備的汽車用熱軋雙相鋼，板厚5.0 mm，待測(cè)的兩種雙相鋼牌號(hào)分別為DP600 和DP1200。學(xué)生5 人1 組，每組兩塊實(shí)驗(yàn)用鋼，分別編號(hào)為1＃和2＃，利用所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)踐操作技能依托湖北省材料學(xué)實(shí)驗(yàn)示范中心和耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)待測(cè)實(shí)驗(yàn)鋼強(qiáng)度級(jí)別進(jìn)行判別。經(jīng)過(guò)近3 年的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生研究所使用的實(shí)驗(yàn)方法集中在拉伸試驗(yàn)、微觀組織觀察、硬度測(cè)試和沖擊試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能及加工硬化率

按GB／T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》沿板軋向切取板狀拉伸試樣，標(biāo)距為50 mm，寬度為12.5 mm，在WAW-500C 型液壓式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)量其拉伸性能及加工硬化率（n值）。實(shí)驗(yàn)鋼板經(jīng)室溫拉伸后得到的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)鋼工程應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

又根據(jù)國(guó)標(biāo)對(duì)強(qiáng)度修約至1 MPa、伸長(zhǎng)率修約至0.5%可得相應(yīng)的拉伸性能和n 值如表1 所示。1＃試樣的抗拉強(qiáng)度為620 MPa，屬于DP600；2＃試樣的抗拉強(qiáng)度為1 273 MPa，屬于DP1200。由圖1 可見(jiàn)兩種實(shí)驗(yàn)鋼得到的拉伸曲線為連續(xù)屈服，且初始加工硬化率均較高，這是由雙相鋼的組織組成決定的。熱軋雙相鋼首先在兩相區(qū)等溫弛豫析出鐵素體，再快冷至Ms點(diǎn)以下相變得到馬氏體，馬氏體相變膨脹會(huì)擠壓周圍的鐵素體產(chǎn)生大量的可動(dòng)位錯(cuò)，從而均可以得到連續(xù)屈服和高的初始加工硬化率的實(shí)驗(yàn)鋼板。通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)可以判別出兩塊實(shí)驗(yàn)鋼板的強(qiáng)度級(jí)別，但還沒(méi)有搞清楚其他一些參數(shù)存在較大差異的原因，如果淺嘗輒止，是不利于創(chuàng)造性思維和探究能力的培養(yǎng)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性，克服困難，這樣也有利于加深理論知識(shí)的理解與應(yīng)用。因此，學(xué)生想從微觀的組織結(jié)構(gòu)去做進(jìn)一步的探索。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 顯微組織觀察及斷口形貌分析

為了探討不同強(qiáng)度級(jí)別雙相鋼的組織組成機(jī)理及其對(duì)材料拉伸性能的影響，部分學(xué)生采用了掃描電子顯微鏡對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼的表面形貌和斷口形貌進(jìn)行了微觀觀察。從鋼板上用線切割切取10 mm ×15 mm 的試樣，將樣品經(jīng)粗磨—細(xì)磨—拋光—侵蝕，侵蝕液為4%硝酸酒精溶液，侵蝕時(shí)間為10 s。圖2（a）所示是1＃試樣5 000 倍下得到的照片，馬氏體有長(zhǎng)條和小塊狀，邊界平直而清晰，體積分?jǐn)?shù)約18.7%，鐵素體內(nèi)無(wú)碳化物等析出物。圖2（b）所示是2＃試樣5 000 倍下得到的照片，馬氏體體積分?jǐn)?shù)約為76.8%，以大塊狀和長(zhǎng)條馬氏體為主。由于馬氏體是碳在鐵素體中過(guò)飽和的固溶體，其強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于鐵素體，2＃試樣的馬氏體較多，其抗拉強(qiáng)度也較高，故也可以通過(guò)顯微組織對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行判別，其鐵素體較少且內(nèi)部有碳化物析出，故其屈服強(qiáng)度較1＃試樣要高，而鐵素體承擔(dān)了大部分的塑性變形，導(dǎo)致其伸長(zhǎng)率也較低為13.0%。2＃試樣中較多的大塊狀馬氏體降低了馬氏體與鐵素體的有效接觸面積，使其n 值也相對(duì)較低為0.12。圖2（c）所示是1＃實(shí)驗(yàn)鋼拉伸后的斷口形貌，內(nèi)部有較多的韌窩，韌窩邊部有白亮區(qū)，是由于高應(yīng)變塑性變形并與拉伸軸呈45°的剪切應(yīng)變產(chǎn)生，是典型的微孔聚集斷裂，說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)鋼的塑韌性較好。而2＃實(shí)驗(yàn)鋼中也有韌窩［見(jiàn)圖2（d）］，其韌窩較1＃試樣少且淺，說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)鋼具有一定的塑韌性，但是較1＃試樣的要差，其伸長(zhǎng)率和n 值也相對(duì)較低。拉伸實(shí)驗(yàn)和金相觀察得到的結(jié)論是一致的且相互印證，但其操作過(guò)程較為復(fù)雜，特別是金相制樣需要多道工序去耐心和細(xì)心的完成。

圖2 實(shí)驗(yàn)鋼的掃描電鏡照片

2.3 硬度測(cè)試分析

實(shí)驗(yàn)鋼是高強(qiáng)度熱軋雙相鋼，雖然均是由馬氏體和鐵素體組成，但其體積分?jǐn)?shù)不一樣，得到的力學(xué)性能也不一樣。硬度是材料抵抗另一種較硬物體壓入表面的抗力，故硬度和強(qiáng)度具有相關(guān)性。而硬度通過(guò)壓入深度反應(yīng)硬度的大小，壓入深度越大，硬度越小，強(qiáng)度也越低；壓入深度越小，硬度越大，強(qiáng)度也越大。硬度測(cè)試是在洛氏硬度計(jì)HR-150A 上進(jìn)行，加載力為1.5 kN，壓頭為金剛石壓頭，其操作簡(jiǎn)便，可直接通過(guò)表盤讀數(shù)得到硬度值。由于洛氏硬度的壓痕較小，需對(duì)試樣打多個(gè)點(diǎn)取平均值。按照GB／T 230.1—2009《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)第1 部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行預(yù)加載荷、加主載荷、緩慢卸載等操作，最后從表盤讀數(shù)，保留一位小數(shù)。得到1＃試樣的平均硬度為34.1 HRC，2＃試樣的平均硬度為56.4 HRC。由于含碳量的不同，馬氏體硬度＞鐵素體硬度，故可根據(jù)硬度測(cè)試判別1＃為DP600 及2＃為DP1200。

2.4 沖擊測(cè)試分析

沖擊試驗(yàn)是一種高應(yīng)變速率的動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)，它將具有一定形狀和尺寸的帶有U 型或V 型缺口的試樣，在沖擊載荷作用下折斷，以測(cè)定其沖擊吸收功AK和沖擊韌性值αK的一種試驗(yàn)方法。由于待測(cè)試樣的強(qiáng)度級(jí)別相差比較大，DP1200 屬于超高強(qiáng)雙相鋼，其馬氏體含量多，而馬氏體既硬又脆，故其沖擊功也相對(duì)較低。沖擊測(cè)試是在JB-300 上進(jìn)行，按照GB／T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》將試樣加工為10 mm×5 mm×55 mm，試樣中部開深2 mm的V型缺口，擺錘量程選用150 J。首先進(jìn)行空擺試驗(yàn)，當(dāng)其沖擊功為0 時(shí)，再進(jìn)行對(duì)試樣的沖擊。沖擊測(cè)試得到的1＃試樣的沖擊功為54 J，2＃試樣的沖擊功為31 J，故1＃試樣為DP600，2＃試樣為DP1200，這與前述的斷口分析的結(jié)果一致，說(shuō)明1＃比2＃具有更好的沖擊韌性。

3 實(shí)施效果

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和方法進(jìn)行了對(duì)比和分析，通過(guò)查閱文獻(xiàn)對(duì)雙相鋼的研究進(jìn)展有了進(jìn)一步的了解，DP600 是目前汽車用雙相鋼生產(chǎn)應(yīng)用的主流，但DP1200 因其超高強(qiáng)度和相對(duì)較差的力學(xué)性能和成形性能僅停留在實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段，而汽車用鋼的強(qiáng)度越高越有利于減重，從而達(dá)到輕量化的目的。因此，汽車用鋼的高強(qiáng)化是未來(lái)的發(fā)展方向。通過(guò)創(chuàng)新項(xiàng)目探究了這兩種實(shí)驗(yàn)鋼板的強(qiáng)度，不僅有利于學(xué)生加深對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解和實(shí)驗(yàn)技能的掌握，而且有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，有部分學(xué)生申請(qǐng)留校讀研進(jìn)行更深入研究，以期能為DP1200 的研發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用貢獻(xiàn)自己的力量。我校也積極響應(yīng)黨和國(guó)家“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”號(hào)召，深入貫徹落實(shí)《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見(jiàn)》，于2017 年由教務(wù)處、學(xué)工處、校團(tuán)委、研究生院、科研發(fā)展研究院聯(lián)合組建了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，制定了“武漢科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目管理辦法”和“武漢科技大學(xué)學(xué)生學(xué)科和科技競(jìng)賽管理辦法”，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練給予了極大支持。我校金屬材料工程專業(yè)2016 級(jí)學(xué)生積極參加由中國(guó)體視學(xué)學(xué)會(huì)主辦的第七屆“金相學(xué)會(huì)杯”全國(guó)高校大學(xué)生金相大賽和第五屆材料綜合技能大賽，參賽學(xué)生獲得1 個(gè)特等獎(jiǎng)、2 個(gè)一等獎(jiǎng)和1 個(gè)二等獎(jiǎng)，也參加了由教育部高等學(xué)校材料類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主辦的第八屆全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽，參賽學(xué)生獲得1 個(gè)一等獎(jiǎng)、1 個(gè)二等獎(jiǎng)和1 個(gè)三等獎(jiǎng)。創(chuàng)新項(xiàng)目和競(jìng)賽指導(dǎo)相輔相成，共同促進(jìn)了教學(xué)的提高，也促進(jìn)了教師進(jìn)一步的教學(xué)改革以期取得更好的成績(jī)［10-12］。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，將先進(jìn)高強(qiáng)鋼引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，基于材料力學(xué)性能和材料科學(xué)基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)原理探究了所給兩種熱軋雙相鋼的強(qiáng)度級(jí)別，開闊了學(xué)生對(duì)當(dāng)前汽車工程材料認(rèn)識(shí)的視野，培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手操作能力、研究探索能力和創(chuàng)新思維能力，取得了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。將科研成果和進(jìn)展項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，這對(duì)實(shí)驗(yàn)教師的科研能力和教學(xué)水平提出了較高要求，需要實(shí)驗(yàn)教師苦練內(nèi)功、大膽創(chuàng)新、積極探討研究新技術(shù)與新方法［13-15］。我校積極開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果獎(jiǎng)評(píng)比、加大學(xué)科競(jìng)賽指導(dǎo)老師的獎(jiǎng)勵(lì)制度以及將正高級(jí)實(shí)驗(yàn)師納入職稱評(píng)審體系等，有利于增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教師的榮譽(yù)感、歸屬感和價(jià)值感。這種良性互動(dòng)有利于深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，也是培養(yǎng)具有嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)精神與責(zé)任擔(dān)當(dāng)意識(shí)的新時(shí)代工程應(yīng)用人才的應(yīng)有之義。