工程材料基礎(chǔ)綜合性實(shí)驗(yàn)的探索與實(shí)踐

高 圓 孫巧艷 白 宇 李燁飛 席生岐

西安交通大學(xué)材料學(xué)院，陜西 西安 710049

創(chuàng)新人才培養(yǎng)是建設(shè)人才強(qiáng)國的當(dāng)務(wù)之急，國家對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求不斷提高，創(chuàng)新教育已經(jīng)成為新時代高等教育的重要任務(wù)。實(shí)踐教學(xué)是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，是理論知識與工程實(shí)踐的紐帶橋梁。在教育部下發(fā)的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見》中，要求高等學(xué)校要進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)等核心實(shí)踐環(huán)節(jié)，不斷與時俱進(jìn)，更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，同時增加綜合性與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，給大學(xué)生創(chuàng)造更多動手操作的機(jī)會，以提高大學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，為培養(yǎng)大學(xué)生的獨(dú)立研究能力打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。在《普通高等學(xué)校本科教學(xué)工作水平評估指標(biāo)體系》中，明確了綜合性設(shè)計型實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對包含綜合性設(shè)計性實(shí)驗(yàn)的課程占有實(shí)驗(yàn)課程總數(shù)的比例和效果也提出了具體要求。

能源、信息和材料是現(xiàn)代社會的三大支柱，因此學(xué)習(xí)并掌握工程材料的基礎(chǔ)知識對于工科院校大機(jī)類學(xué)生來說有深遠(yuǎn)意義。工程材料基礎(chǔ)是我校材料學(xué)院面向機(jī)械、能動、航空航天等非材料專業(yè)開設(shè)的大面積專業(yè)基礎(chǔ)課程，每年授課學(xué)生近千人。本課程從工程材料的分類、應(yīng)用和失效方式講起，以金屬（包括碳鋼、合金鋼、鑄鐵和有色金屬）、陶瓷、高分子和復(fù)合材料及其工程應(yīng)用為講解對象，闡明材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、性能之間的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)零構(gòu)件設(shè)計的性能指標(biāo)選擇合適材料，做到“知材、懂材”并能合理使用材料。該課程的理論性及實(shí)踐性均很強(qiáng)，在工程材料基礎(chǔ)課程教學(xué)體系中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是其重要環(huán)節(jié)，占總課時的12.5%。對大機(jī)類非材料專業(yè)本科生來說，如何在課時有限的材料類課程的學(xué)習(xí)中，加深理解材料基本知識并提升學(xué)習(xí)興趣，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)發(fā)揮著舉足輕重的作用。因此，工程材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本課程的重要組成部分，對于加強(qiáng)課程理論知識的融會貫通、提高學(xué)生分析解決問題的能力以及創(chuàng)新能力具有很重要的作用。

隨著各高校對實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)改革的不斷深入，實(shí)驗(yàn)教學(xué)正面臨著新的變化，已從過去單一的演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)發(fā)展為綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新性三種類型的實(shí)驗(yàn)。各高校機(jī)械工程材料課程組已經(jīng)相繼啟動實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，針對該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所存在的問題進(jìn)行認(rèn)真分析，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面進(jìn)行改革，實(shí)踐和探索創(chuàng)新型的綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

一、綜合性實(shí)驗(yàn)的改革思路

我校工程材料基礎(chǔ)課程包含3 個課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，分別是實(shí)驗(yàn)1 金相試樣的制備和金相顯微鏡的使用（2 學(xué)時）；實(shí)驗(yàn)2碳鋼和鑄鐵平衡組織與非平衡組織的觀察與分析（2 學(xué)時）；實(shí)驗(yàn)3 碳鋼熱處理及組織與性能測試分析綜合實(shí)驗(yàn)（4學(xué)時）。實(shí)驗(yàn)1和2以演示性、驗(yàn)證性的小型實(shí)驗(yàn)為主，綜合實(shí)驗(yàn)3形式為教師將熱處理工藝設(shè)計好，學(xué)生按指定的工藝進(jìn)行熱處理操作，驗(yàn)證設(shè)計好的組織和性能。這種實(shí)驗(yàn)形式仍以驗(yàn)證性為主，學(xué)生對熱處理原理和工藝路線的制訂并沒有深入理解，自主探究和思考的機(jī)會很少，不僅不能契合現(xiàn)代化的人才培養(yǎng)理念，也無法積極促進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、分析解決問題的能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

工程材料基礎(chǔ)原有熱處理綜合實(shí)驗(yàn)使用的材料為常見的45鋼和T12鋼，這類碳鋼材料淬火后快速發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，強(qiáng)度和硬度迅速提高，其強(qiáng)化機(jī)制為馬氏體相變強(qiáng)化。而另一類重要的工程材料鋁合金強(qiáng)化方法之一為時效強(qiáng)化，淬火后在室溫或低溫加熱下保溫一段時間，隨時間延長其強(qiáng)度、硬度才會顯著升高。碳鋼的馬氏體相變強(qiáng)化和鋁合金的時效強(qiáng)化均為工程材料基礎(chǔ)課程的重、難點(diǎn)知識，學(xué)生學(xué)習(xí)時僅被動接受，理解起來較為抽象。為了讓學(xué)生親自探索碳鋼和鋁合金不同的強(qiáng)化機(jī)制，加深對該知識點(diǎn)的理解，在實(shí)踐環(huán)節(jié)開展了綜合性探索實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，設(shè)計了“急性子的鋼與慢性子的鋁合金熱處理強(qiáng)化機(jī)制研究”這一開放性實(shí)驗(yàn)課題，供學(xué)生探索研究，以加深學(xué)生對材料四要素成分—工藝—組織—性能四者之間關(guān)系的理解和認(rèn)識，提高其研究材料的興趣，培養(yǎng)學(xué)生探索研究能力和解決實(shí)際工程問題的能力。

二、綜合性實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐與效果

綜合性實(shí)驗(yàn)的組織過程如下：教師在課堂布置選題，學(xué)生自由申報，教師根據(jù)學(xué)生報名情況分組（2-3 人一組），指定專門教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和儀器操作培訓(xùn)，學(xué)生在教師指導(dǎo)下獨(dú)立完成學(xué)習(xí)任務(wù)，在課程結(jié)束前在班級用PPT 匯報學(xué)習(xí)的成果或者提交研究報告。整個綜合實(shí)驗(yàn)由學(xué)生獨(dú)立完成，學(xué)生自己操作實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備；教師起引導(dǎo)作用，充分調(diào)動學(xué)生的積極主動性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)知識的主動性和創(chuàng)新實(shí)踐的能力。

具體實(shí)施過程為：（1）準(zhǔn)備樣品。用線切割切取7075 鋁合金和45 鋼試樣，依次用180，400，600，800 目砂紙從粗到細(xì)進(jìn)行粗磨和精磨，然后在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，至樣品表面為光亮的鏡面。制樣完成后，用4%硝酸酒精進(jìn)行腐蝕以顯示組織，然后在金相顯微鏡下觀察組織，之后用顯微維氏硬度計分別對鋁合金和碳鋼硬度進(jìn)行測量。（2）熱處理。分別對鋁合金和碳鋼樣品進(jìn)行淬火處理。45 鋼在850℃下保溫12min 水冷；7075 鋁合金在480℃下保溫1h 水冷。熱處理后，再對樣品進(jìn)行精磨、拋光。接著對45 鋼樣品進(jìn)行腐蝕并觀察組織，記錄剛剛淬火后的鋁合金和碳鋼表面維氏硬度。（3）每天來測量一次硬度，連續(xù)1周直至鋁合金的時效強(qiáng)化消失。

首先對45鋼淬火前后的組織進(jìn)行觀察和分析，如圖1 所示。由顯微組織可以看出，45 鋼退火態(tài)的組織為黑色的珠光體和白色的鐵素體，硬度約為225.6HV；淬火后組織為片狀和板條狀混合形態(tài)的馬氏體，硬度為744.5HV。由于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度低，轉(zhuǎn)變速度快，只發(fā)生鐵素體的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，而碳原子來不及重新分布，被迫保留在馬氏體中，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與母相奧氏體相同，因此馬氏體是碳在α-Fe 中的過飽和固溶體，具有體心正方結(jié)構(gòu)。大量碳原子的過飽和造成原子排列發(fā)生畸變產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，因此馬氏體具有高的硬度和強(qiáng)度。

對45 鋼淬火后的硬度連續(xù)測量1 周，結(jié)果如圖2 所示。45 鋼在淬火后硬度直接增加為退火態(tài)的3.5 倍左右，并在之后的幾天硬度均維持在800HV 上下，沒有時效特性。硬度的浮動可能是由于組織不均勻引起的。

7075 鋁合金淬火前后的硬度變化曲線如圖3 所示。鋁合金退火態(tài)硬度為69.4HV。將其加熱到高于固溶線的某一溫度并保溫一段時間后，得到均勻的單相α 固溶體，再將其放入水中迅速冷卻，使第二相θ（CuAl）來不及從α 固溶體中析出而獲得過飽和的α 固溶體組織，這種處理稱為固溶處理（即淬火）。此時由于α 相產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，使該合金的硬度略提高到91.5HV，硬度僅增加30%。之后把淬火后的鋁合金在室溫下放置4 小時，其硬度提高到107.3HV，相較于退火態(tài)增加了54%；之后幾天因時效強(qiáng)化每天硬度緩慢增長，至固溶處理后第6天達(dá)到硬度最大值147.7HV，約為退火態(tài)的2 倍。

鋁合金時效強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)，是過飽和固溶體的脫溶分解過程。當(dāng)鋁合金淬火后得到過飽和固溶體，是處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有析出第二相的傾向。但在室溫或加熱較低溫度下，由于溶質(zhì)原子移動緩慢，在固溶體內(nèi)形成許多區(qū)域極小的溶質(zhì)原子偏聚區(qū)（GP[I]區(qū)、GP[II]區(qū)），造成晶格嚴(yán)重畸變，使位錯運(yùn)動受阻，從而促使合金強(qiáng)度明顯提高。若時效溫度過高或保溫時間過長，溶質(zhì)原子偏聚區(qū)轉(zhuǎn)化為過渡相θ’，使得晶格畸變減弱，則合金開始趨向軟化。當(dāng)最終形成穩(wěn)定化合物θ 相，并從固溶體中析出，此時合金強(qiáng)化效果消失，即產(chǎn)生“過時效”。由于室溫下溶質(zhì)原子能量不高，所以過時效現(xiàn)象并不明顯。

馬氏體相變強(qiáng)化和固溶時效強(qiáng)化是金屬材料重要的兩大類強(qiáng)化機(jī)制，也是工程材料基礎(chǔ)的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容。通過“急性子的鋼與慢性子的鋁合金熱處理強(qiáng)化機(jī)制研究”這一綜合性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生從“被動接受”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃犹剿鳌?，加深了對所學(xué)理論知識的理解。在課堂上，學(xué)生學(xué)到的這部分知識比較抽象，不容易理解，如果不親自觀察到典型材料的組織特征并測量硬度，是很難深入理解金屬材料熱處理工藝與組織和性能之間的關(guān)系的。通過“急性子的鋼與慢性子的鋁合金熱處理強(qiáng)化機(jī)制研究”這一綜合實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對碳鋼和鋁合金兩種材料親自進(jìn)行熱處理、測量硬度和觀察金相組織，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)碳鋼和鋁合金呈現(xiàn)不同的熱處理強(qiáng)化規(guī)律是其內(nèi)部不同的組織變化所引起的，這使學(xué)生能夠深刻體會材料成分—組織—工藝—性能四者之間的聯(lián)系，這也是工程材料基礎(chǔ)課程貫穿始終的一條主線。能把理論知識應(yīng)用到分析和解決實(shí)際問題上，這才是人才培養(yǎng)要達(dá)到的真正目標(biāo)。

工程材料課程綜合性探索實(shí)驗(yàn)的開展進(jìn)一步拓展了學(xué)生的知識面。通過完成綜合性探索實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的視野不再局限于書本上抽象的理論知識，而是通過親自探索和分析，對碳鋼和鋁合金不同的熱處理強(qiáng)化現(xiàn)象背后的機(jī)制進(jìn)行深入研究和思考，這就對課本所學(xué)知識進(jìn)行了補(bǔ)充和拓展。綜合性探索實(shí)驗(yàn)也培養(yǎng)了學(xué)生研究分析問題的能力，提高其主動思考的積極性，為以后開展科研工作奠定了重要的基礎(chǔ)。從進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開始，教師進(jìn)行設(shè)備儀器和安全注意事項(xiàng)的講解后，學(xué)生就自己獨(dú)立動手操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)會了熱處理爐加熱保溫制度的設(shè)定、淬火操作、使用顯微維氏硬度計和洛氏硬度計測試熱處理前后的硬度，獨(dú)立按照金相樣品制備步驟（包括磨樣、拋光和浸蝕）制備出質(zhì)量較高的金相試樣，熟練使用金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察和分析。在整個實(shí)驗(yàn)過程中，熱處理操作和金相試樣制備存在一定的難度，很多學(xué)生都是重復(fù)做了很多次實(shí)驗(yàn)才做出合格的試樣。學(xué)生還主動總結(jié)分析實(shí)驗(yàn)過程中遇到的異常情況，一位學(xué)生在他的研究報告中這樣寫道：“本次實(shí)驗(yàn)最大的問題是測量硬度的異常。因?yàn)楫?dāng)時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了碳鋼硬度較往常大，但以為是隨機(jī)誤差，所以就多測了幾組，沒有意識到可能是儀器設(shè)置的錯誤，下次遇到異常數(shù)據(jù)應(yīng)該換個角度多想想。”工程材料基礎(chǔ)綜合性實(shí)驗(yàn)作為本科生畢業(yè)設(shè)計之前的一次研究性實(shí)驗(yàn)，為其以后開展科研工作積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和培養(yǎng)了科學(xué)研究思維。

三、結(jié)語

工程材料基礎(chǔ)綜合性實(shí)驗(yàn)的探索與實(shí)踐是為了培養(yǎng)創(chuàng)新型實(shí)踐人才而開展的一次教學(xué)改革活動，課程組緊密結(jié)合課程重難點(diǎn)內(nèi)容，設(shè)計了“急性子的鋼與慢性子的鋁合金熱處理強(qiáng)化機(jī)制研究”供學(xué)生探索研究。通過自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案、完成實(shí)驗(yàn)操作、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、撰寫實(shí)驗(yàn)報告，學(xué)生從“被動接受”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃犹剿鳌保粌H了加深了對課程知識點(diǎn)的理解和認(rèn)識，也培養(yǎng)了其動手能力、分析問題和解決問題的能力以及創(chuàng)新性思維。未來的教學(xué)工作中，課程組計劃結(jié)合課程內(nèi)容，設(shè)計更多趣味性、有內(nèi)涵、有深度的實(shí)驗(yàn)研究題目供學(xué)生選擇，將這一有意義的工作持續(xù)開展下去。