薛冰+殷鳳仕+孫國(guó)棟+賈賀澤+徐振+劉顯昌+孫兆海

摘要：本文闡述了在卓越工程師培養(yǎng)模式下的《工程材料》實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用的教師灌輸、學(xué)生單純模仿的機(jī)械教學(xué)方式進(jìn)行改革。優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容把碳鋼的淬火和回火、金相試樣制備、金相組織分析、硬度測(cè)定、鋼的淬透性分析、合金元素的作用等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行綜合，形成鋼的熱處理綜合性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容充分綜合了學(xué)生在課堂中所學(xué)知識(shí)，有效地提高了學(xué)生的實(shí)際操作能力和獨(dú)立思維能力。

關(guān)鍵詞：卓越工程師培養(yǎng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；工程材料；熱處理；力學(xué)性能；組織分析

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）09-0020-02

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”是促進(jìn)我國(guó)由工程教育大國(guó)邁向工程教育強(qiáng)國(guó)的重大舉措，旨在培養(yǎng)一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才。高等工程教育迫切需要培養(yǎng)一大批能夠適應(yīng)和支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的工程人才。《工程材料》知識(shí)面覆蓋量大，涉及內(nèi)容較多，但課時(shí)少，加大了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法是開(kāi)設(shè)以下三個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)：（1）金相試樣制備與碳鋼平衡組織觀察（2學(xué)時(shí)）；（2）鋼的熱處理操作及非平衡組織觀察（4學(xué)時(shí)）；（3）鋼的淬透性實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，學(xué)時(shí)多、效果差，學(xué)生不能把所學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的目的是想在有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)條件下，有效地把鋼的熱處理、金相組織分析、性能測(cè)試以及合金元素對(duì)鋼性能的影響等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行綜合，讓學(xué)生把學(xué)過(guò)的理論知識(shí)和實(shí)踐進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，達(dá)到融會(huì)貫通和快速掌握所學(xué)過(guò)知識(shí)的目的。

一、設(shè)想及方案設(shè)計(jì)

（一）設(shè)想

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生鞏固書(shū)本上的知識(shí)，把所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行綜合思考，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力、綜合分析運(yùn)用能力以及勇于開(kāi)拓的創(chuàng)新能力。（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生利用所學(xué)的知識(shí)，正確設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，正確使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)儀器，準(zhǔn)確獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，正確記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，得出科學(xué)合理的結(jié)論。

（二）方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革把原來(lái)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中鋼的淬火和回火、碳鋼的組織觀察、鋼的淬透性等試驗(yàn)項(xiàng)目和金相試樣制備、硬度測(cè)定等結(jié)合起來(lái)，使之成為一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)。把碳鋼的熱處理工藝、不同冷卻介質(zhì)和合金元素對(duì)鋼的淬透性的影響等知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行綜合，形成一個(gè)綜合熱處理工藝、金相組織分析、合金元素的作用等的研究性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究，使學(xué)生達(dá)到融會(huì)貫通和快速掌握所學(xué)知識(shí)的目的。

二、方案的實(shí)施

（一）綜合性實(shí)驗(yàn)的名稱(chēng)

鋼的熱處理綜合性實(shí)驗(yàn)。

（二）實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求

（1）分析淬火介質(zhì)和回火溫度對(duì)材料性能的影響。（2）分析合金元素對(duì)鋼的淬透性的影響。（3）了解熱處理工藝流程、熟悉熱處理儀器的使用。（4）發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問(wèn)題。

（三）實(shí)驗(yàn)材料

45#鋼 化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為：C 0.42%～0.50%，Si 0.17%～0.37%，Mn 0.50%～0.80%，Cr≤0.25%，Ni≤0.30%，Cu≤0.25%。40Cr鋼 化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為：C 0.37%～0.45%，Si 0.17%～0.37%，Mn 0.50%～0.80%，Cr 0.80%～1.10%，S≤0.030 P≤0.030，Ni≤0.25，Cu≤0.030。

（四）實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)時(shí)每組8名學(xué)生，根據(jù)鐵碳相圖確定熱處理淬火加熱溫度。表1列出了該組學(xué)生設(shè)計(jì)的熱處理實(shí)驗(yàn)方案，每名學(xué)生負(fù)責(zé)兩個(gè)試樣的熱處理操作和金相分析以及硬度測(cè)試，最后將硬度測(cè)試結(jié)果匯總于表1。

三、實(shí)施的效果

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)的學(xué)生可以得到如下的規(guī)律：

（1）45鋼試樣水冷時(shí)，表層硬度高，心部硬度低。這是由于45鋼的淬透性不足（見(jiàn)圖1a，箭頭所指黑色點(diǎn)狀物質(zhì)為夾雜物，基體為馬氏體組織），表層得到全部馬氏體，而心部未能得到全部馬氏體（見(jiàn)圖1b，灰色區(qū)域?yàn)橛捕容^低的屈氏體組織，其他區(qū)域?yàn)轳R氏體組織）。（2）45鋼試樣淬火后，水冷試樣的硬度高于油冷試樣。這是由于油比水的冷卻速度慢，淬火后得到較多體積分?jǐn)?shù)的屈氏體（圖1c，灰色區(qū)域?yàn)橛捕容^低的屈氏體組織，其他區(qū)域?yàn)轳R氏體組織）。（3）冷卻介質(zhì)是油時(shí)，40Cr鋼試樣淬火后的硬度明顯高于45鋼試樣。這是因?yàn)閮煞N鋼的淬透性不同，40Cr鋼中合金元素Cr的加入，使過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變的C曲線(xiàn)右移，降低了臨界冷卻速度，從而提高了鋼的淬透性。（4）水冷淬火后再回火，隨回火溫度的升高，硬度降低，但40Cr鋼硬度降低的慢，說(shuō)明40Cr鋼的抗回火穩(wěn)定性高。40Cr中合金元素Cr的加入，延緩了回火過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變過(guò)程。其次，Cr的固溶強(qiáng)化作用也是40Cr鋼回火穩(wěn)定性升高的一個(gè)原因。

（a）860℃×20min水冷表層組織（b）860℃×20min水冷心部組織 （c）860℃×20min油冷表層組織

四、結(jié)束語(yǔ)

本次實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生自己根據(jù)所學(xué)的知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，不但學(xué)會(huì)了金相試樣制備、金相組織分析和材料性能的測(cè)試方法，并了解了基本的熱處理工藝及合金元素對(duì)材料組織和性能的影響。通過(guò)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)會(huì)和掌握，可以對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的熱處理工藝和檢測(cè)方法有一個(gè)很好的了解，滿(mǎn)足一個(gè)工程技術(shù)人員的要求。

通過(guò)我們對(duì)本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)，充分調(diào)動(dòng)和激發(fā)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究性；讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，大大提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，并培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析能力和總結(jié)能力，取得了滿(mǎn)意的效果。

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