工程材料實驗課程革新思路

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1實驗教學改革的具體做法

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

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），我們主要選擇機加工應用廣泛和最經濟的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）實驗前根據實驗室的設備情況，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、設計操作步驟、確定工藝參數（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度及塑性指標（包括屈服強度、抗拉強度、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實驗結果分析

由實驗可知，45鋼經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），可使組織均勻細化，降低硬度，提高塑性，改善加工性能、減少內應力。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、鐵素體晶粒也比較細小（見圖3），因而正火比退火具有更高的力學性能。淬火后獲得板條狀和細針狀混合型馬氏體組織，由于其冷卻速度很快，硬度和強度遠比退火和正火后高，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行不同的回火，來調整強度、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，其顯微組織表現為由針狀馬氏體和極細碳化物組成；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培養了學生的自學能力

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

2.2鞏固了所學的理論知識

在課堂上，學生學到的知識比較抽象，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系。通過綜合實驗，學生從選擇材料、親自進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—性能之間的聯系，并且能運用自己所學的知識聯系操作過程來指出組織中的缺陷產生的原因并分析其對性能的影響。能把理論知識應用到分析和解決問題上，這才是學習的真正目的。

2.3提高了學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鋼進行拉伸實驗時發現沒有發生屈服，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，但重新經過幾次處理后還是得出一樣的實驗結果，在進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，強硬度很高，但塑韌性很差，因此不能觀察出屈服現象和明顯的變形。

2.4培養了學生的團隊合作精神和堅韌不撥的毅力

實驗室為學生創造了良好的實驗氛圍，同學們在一起相互探討、相互幫助，既拉近了同學們之間的距離，又培養了同學們的團隊合作精神；在整個實驗過程中，對材料進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，有時需反復多次才能把實驗做完，同學們克服種種困難，順利完成了綜合性實驗。

3結束語

實驗教學是高校特別是工科專業的重要組成部分，是開展教學工作，提高教學質量，培養具有較強實踐能力和創新精神的高素質人才不可缺少的重要環節。《工程材料及成形》課程綜合性實驗教學模式的改革嘗試證明，開設這類綜合性和設計性較強的實驗，有利于加深學生對所學專業知識的系統理解，提高學生的綜合應用能力，促進學生的創造性思維的發揮。另一方面，也對實驗教師提出了更高的要求，有利于提高學校的整體實驗教學水平。