機械工程研究生的工程材料檢測技術

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摘要：研究生是科研項目的參與者和基礎試驗工作的執行者，是推動科技進步的中堅力量之一，是未來科研工作的主力軍。為機械工程學科研究生開設具有較強學科交叉特色的課程——工程材料檢測技術，對培養創新意識、提升綜合科研能力具有重要意義。以具體科研問題為例，分析了開設該課程的必要性，說明了如何設置教學內容，討論了課程實施和考核方式。

關鍵詞：機械工程；研究生；學科交叉；工程材料；檢測技術；課程

機械工程學科研究生的傳統課程因學科交叉性差，涉及面單一，不能適應社會發展的需求，不符合OBE（Outcomes-BasedEducation）和創新創業教育的理念[1-4]。在國家自然科學基金委的《2017年度國家自然科學基金項目指南》中，前言部分提出推動學科交叉；在資助機械學和制造科學研究的工程科學二處面上項目說明中，指出優先支持與自然科學和其他工程科學深度交叉融合。這是因為超、精、尖、特裝備的設計、制造、測試離不開對相關工程材料的清晰表征和充分認識，離不開對檢測技術的準確理解和熟練掌握。本文基于機械工程學科中的科研問題，分析研究生學習工程材料檢測技術課程的重要性，說明如何設置教學內容，并討論了課程實施和考核方式。

一、課程重要性

長期以來，工程材料檢測技術或相近課程只是材料科學與工程專業研究生的必修課程。許多學校的機械工程學科沒有開設該課程，研究生只能通過自學獲取材料檢測知識，缺乏系統性和針對性。機械工程專業的研究生，在完成學位論文或參加導師其它科研項目的過程中，需要面對零件選材和加工、零件性能和失效、加工對象質量和缺陷等問題，都與工程材料的本質有關，如何檢測和表征工程材料十分重要。高檔冷軋板材是附加值很高的汽車工業用材，板型控制則是冶金機械專業中的技術難題之一。在研制新型冷軋機的試驗階段和中試階段，板材板型質量不僅與軋機參數有關，而且與所用試驗板坯的原始組織狀態有關，需要用專門的技術進行檢測。由兩種或多種不同成分金屬疊加軋制而成的復合板，是當前板材加工的研究熱點。在評價所開發的相關軋制設備時，要對所軋板材的組織和性能進行分析；關鍵部位是復合板各層之間的結合層，需要檢驗它的厚度、組織和結合強度。自潤滑軸承的性能和壽命，不僅僅取決于所設計的結構、形狀和尺寸，更取決于所選用工程材料的組織和性能。例如，粉末冶金法制備的青銅含油脂自潤滑軸承，其孔隙率和孔隙尺寸對壓潰強度至關重要；四氟乙烯纖維織物類的自潤滑軸承，在不同條件下所呈現出來的摩擦系數變化，與表面形貌特性有關；涂層自潤滑軸承的壽命，取決于涂層自身壓破強度和涂層與基體結合特性。超精密加工代表了機械加工的最高水平。超精密加工表面質量包括粗糙度、波紋度和面形精度等。影響表面質量的因素，除了機床精度、振動、刀具、切削參數與環境條件外，最主要的是材料自身的切削性能。硬脆材料切屑形成的同時，表面會留下大量微裂紋；韌性材料則在加工面表層形成大量滑移線和位錯缺陷。切屑的斷裂機制、斷裂層形貌、已加工表面粗糙度值，都離不開先進的工程材料檢測技術。

二、課程內容

機械工程專業的研究生，本科階段一般只學過工程材料基礎和簡單的試驗方法，基本沒有接觸過借助大型設備進行的檢測技術。因此，在針對機械工程專業研究生設置檢測技術課程時，需要介紹基本原理、主要應用范圍、數據如何分析以及如何制備試樣，內容不宜太深奧。具體講授哪些檢測方法，則根據他們所遇到的實際科研和工程問題，用到什么檢測技術就講什么，不求全面，只求實用。冷軋板材原始板坯組織狀態方面。織構用X射線衍射技術（XRD）、背散射電子衍射技術（EBSD）檢測，XRD適用于宏觀織構的分析，EBSD更適用于微觀。碳鋼板坯原始奧氏體晶粒尺寸不均勻，會導致亞結構的尺寸不均勻（例如α相尺寸），必須借助掃描電子顯微技術（SEM）觀察；鋁合金板坯的晶粒尺寸不均勻，可用EBSD、偏光金相、XRD分析。復合板結合層方面。結合層尺寸，用顯微硬度技術確定硬度分布，由此判定結合層厚度；也可通過能譜儀（EDS）檢測不同元素的線分布或面分布來確定。結合層的顯微組織，用透射電子顯微技術（TEM）觀察，也可以利用EBSD中的背散射成分檢測功能。結合層的結合強度，用剪切拉伸和剝離試驗檢測，之后用SEM對斷口和剝離面進行觀察。自潤滑軸承方面。粉末冶金法制備自潤滑軸承其孔隙特性，用SEM表征?？椢镒詽櫥瑝|層在不同載荷下的形貌，同樣需要借助SEM。涂層自潤滑軸承性能，用滾動接觸疲勞試驗或壓頭壓入法檢測，涂層結合面組織結構用TEM觀察。超精密加工領域。超精密加工的質量已遠遠優于傳統機械加工，粗糙度致低于1nm，大大超過了指針輪廓儀的檢測能力。檢測超精加工工件表面形貌的方法有掃描隧道顯微技術（STM）。對于絕緣工件，用原子力顯微技術（AFM）進行檢測。加工面表層的硬度變化，用納米壓痕技術檢測。以上只是列舉了幾個典型例子，機械工程學科的科學和工程研究中需要借助工程材料檢測技術完成的案例還有很多。

三、講授和考核方式

每種檢測技術都可以是獨立的課程，如X射線衍射學、電子顯微分析、背散射電子衍射技術等。鑒于機械工程專業研究生的知識結構和學時限制，不適于按部就班、系統地講授工程材料檢測技術，課程講授方式應該是案例式的。在機械工程研究中，會遇到一些典型的、需要借助工程材料檢測技術協助解決的問題。以問題為出發點，分析要檢測的內容，介紹所需的檢測技術，對比不同技術的優缺點。每個案例進行一次理論授課，并進行一次試驗觀摩。之所以只進行觀摩，是因為這些檢測方法所需的大型精密設備在專門培訓后才可以操作。觀摩時所用試樣應為相應案例中的試樣。理論授課和試驗觀摩穿插進行，這需要材料科學與工程學科實驗室的支持和配合。上述課程內容和講授方式決定了考核方式不應是學習了一門理論課之后的試卷考試，更應該注重對所學知識的應用能力。應用有一個過程，考核不必在結課后立即進行。采用彈性考核制度，考核方式為撰寫報告或論文；內容為學生學位論文課題、導師課題、自選調研課題中所遇到的問題及解決該問題的完整檢測分析過程。考核在結課后6~12個月完成；考核評價和建議反饋給學生，這對他們完成課題有直接幫助?？己顺煽儼凑誂、B、C、D、E五級制評定。

參考文獻：

[1]吳志方，閆文青，徐光.提高碩士研究生學位論文質量的途徑[J].中國冶金教育，2017（1）：71-73.

[2]楊麗靜，牛永紅.研究生在科研過程中的“反思”思維模式[J].中國冶金教育，2016（5）：31-34.

[3]顧佩華，胡文龍，林鵬，等.基于“學習產出”（OBE）的工程教育模式[J].高等工程教育研究，2014（1）：27-37.

[4]王占仁.高校創新創業教育觀念變革的整體構想[J].中國高教研究，2015（7）：75-78.

作者:王振華 單位:燕山大學機械工程學院