工程材料實驗課程革新思路

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1實驗教學(xué)改革的具體做法

為了提高學(xué)生對這門課程所學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力，在實驗室現(xiàn)有的條件基礎(chǔ)上，我們把原課程中分期進(jìn)行的熱處理操作、金相顯微鏡的使用、顯微組織的觀察以及材料力學(xué)課程中材料的拉伸等幾個單獨的實驗串聯(lián)成一個綜合性實驗“熱處理工藝設(shè)計及成形方法的選擇”，要求學(xué)生根據(jù)所定題目的任務(wù)書仔細(xì)閱讀、查閱資料，制定工藝、設(shè)計出合理的實驗方案，最后對實驗結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

1.1實驗的基本步驟

（1）首先確定實驗材料（一般為Φ18mm的45鋼熱軋棒料），我們主要選擇機(jī)加工應(yīng)用廣泛和最經(jīng)濟(jì)的45鋼作為實驗材料，該材料綜合性能良好，具有一定的代表性。（2）實驗前根據(jù)實驗室的設(shè)備情況，通過查閱資料確定出“退火、正火、淬火、低溫回火、中溫回火、高溫回火”六種最終熱處理工藝，制訂出熱處理工藝過程、設(shè)計操作步驟、確定工藝參數(shù)（如加熱溫度、保溫時間、冷卻速度和方式等）。（3）確定試樣的車削加工過程，加工出一個如圖1所示的拉伸試樣零件。（4）測定45鋼試樣熱處理前后的硬度及最終熱處理后的強(qiáng)度及塑性指標(biāo)（包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、截面收縮率）。（5）以上六種熱處理工藝分別同步處理6個尺寸為Φ15mm×10mm的金相試樣，并完成從粗磨→精磨→拋光→腐蝕的試樣制備過程。（6）制好試樣后在金相顯微鏡上觀察其顯微組織特征。（7）觀察試樣的斷口形狀及特征。

1.2實驗結(jié)果分析

由實驗可知，45鋼經(jīng)過不同熱處理可獲得不同的組織和使用性能。45鋼退火后，其顯微組織由塊狀珠光體和鐵素體組成（見圖2），可使組織均勻細(xì)化，降低硬度，提高塑性，改善加工性能、減少內(nèi)應(yīng)力。與退火相比，正火的加熱溫度較高，冷卻速度更快，由顯微組織觀察其珠光體片層較細(xì)、鐵素體晶粒也比較細(xì)?。ㄒ妶D3），因而正火比退火具有更高的力學(xué)性能。淬火后獲得板條狀和細(xì)針狀混合型馬氏體組織，由于其冷卻速度很快，硬度和強(qiáng)度遠(yuǎn)比退火和正火后高，但塑性差、脆性大，在交變載荷和沖擊載荷作用下極易斷裂，因此，淬火后的零件必須進(jìn)行不同的回火，來調(diào)整強(qiáng)度、硬度，獲得所需要的塑性和韌性。45鋼低溫回火后的組織為回火馬氏體，其顯微組織表現(xiàn)為由針狀馬氏體和極細(xì)碳化物組成；中溫回火后的組織為回火托氏體，其顯微組織由針狀鐵素體與細(xì)粒狀滲碳體組成；而高溫回火后的組織為回火索氏體，其顯微組織由等軸狀鐵素體與高度彌散分布的滲碳體組成。隨著回火溫度的升高，45鋼的強(qiáng)度、硬度逐漸降低，但塑性、韌性明顯提高。

2實驗改革的成效

2.1培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力

在進(jìn)行綜合設(shè)計性實驗時，學(xué)生從查閱文獻(xiàn)，自主設(shè)計實驗方案，選擇材料，確定實驗步驟，直至實驗結(jié)果分析討論，使他們在開闊眼界的同時，也大大提高了自學(xué)能力。

2.2鞏固了所學(xué)的理論知識

在課堂上，學(xué)生學(xué)到的知識比較抽象，不易于理解，印象不深刻。例如，在講述金屬材料中的典型組織及其性能的時候，如果不親眼看見組織特征，就很難理解金屬組織和熱處理工藝及性能的關(guān)系。通過綜合實驗，學(xué)生從選擇材料、親自進(jìn)行熱處理操作并測定性能到最后做出金相試樣并觀察顯微組織。通過一系列的操作，能夠深刻體會材料—工藝—組織—性能之間的聯(lián)系，并且能運用自己所學(xué)的知識聯(lián)系操作過程來指出組織中的缺陷產(chǎn)生的原因并分析其對性能的影響。能把理論知識應(yīng)用到分析和解決問題上，這才是學(xué)習(xí)的真正目的。

2.3提高了學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力

在實驗過程中，由于各種因素的影響，我們遇到了一些問題，例如我們在對淬火后的45鋼進(jìn)行拉伸實驗時發(fā)現(xiàn)沒有發(fā)生屈服，斷口基本呈平面狀，而且也沒有明顯的軸向伸長，與我們平時所看到的塑性材料拉伸時發(fā)生明顯的局部頸縮和軸向伸長有很大的出入，倒是與脆性材料（如鑄鐵）拉伸的情況很相似，但拉斷試樣所需的載荷卻比鑄鐵的最大抗拉載荷大得多（超過了110KN，鑄鐵的最大抗拉載荷不超過20KN，而45鋼其它熱處理后的最大抗拉載荷不超過80KN），開始大家都以為是熱處理操作出錯，但重新經(jīng)過幾次處理后還是得出一樣的實驗結(jié)果，在進(jìn)行討論時得出淬火時采用水冷方式，冷卻速度很快，獲得了馬氏體組織，馬氏體最大的特點就是硬而脆，強(qiáng)硬度很高，但塑韌性很差，因此不能觀察出屈服現(xiàn)象和明顯的變形。

2.4培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊合作精神和堅韌不撥的毅力

實驗室為學(xué)生創(chuàng)造了良好的實驗氛圍，同學(xué)們在一起相互探討、相互幫助，既拉近了同學(xué)們之間的距離，又培養(yǎng)了同學(xué)們的團(tuán)隊合作精神；在整個實驗過程中，對材料進(jìn)行熱處理和金相試樣制備的難度相對較大，也需要較長的時間，有時需反復(fù)多次才能把實驗做完，同學(xué)們克服種種困難，順利完成了綜合性實驗。

3結(jié)束語

實驗教學(xué)是高校特別是工科專業(yè)的重要組成部分，是開展教學(xué)工作，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)具有較強(qiáng)實踐能力和創(chuàng)新精神的高素質(zhì)人才不可缺少的重要環(huán)節(jié)。《工程材料及成形》課程綜合性實驗教學(xué)模式的改革嘗試證明，開設(shè)這類綜合性和設(shè)計性較強(qiáng)的實驗，有利于加深學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識的系統(tǒng)理解，提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)造性思維的發(fā)揮。另一方面，也對實驗教師提出了更高的要求，有利于提高學(xué)校的整體實驗教學(xué)水平。