鄭慶行

（河南省煤炭高級技工學(xué)校 451150）

《金屬材料與熱處理》教學(xué)中難點突破探索

鄭慶行

（河南省煤炭高級技工學(xué)校 451150）

《金屬材料與熱處理》教學(xué)中出現(xiàn)的一些疑難問題，可以通過舉例來輔助學(xué)生理解和掌握。

金屬材料與熱處理；舉例；教學(xué)效果

《金屬材料與熱處理》是一門專業(yè)性較強(qiáng)、理論抽象概念較多的專業(yè)基礎(chǔ)課。在教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)起來普遍感到枯燥乏味，加之有些概念、現(xiàn)象比較抽象，難于理解，教學(xué)難度相對比較大。筆者在多年的教學(xué)實踐中，發(fā)現(xiàn)把那些抽象、又難于理解的內(nèi)容，通過形象、恰當(dāng)?shù)呐e例加以表述，即能活躍課堂氣氛，又能激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，加深對某些疑難問題的理解，從而提高課堂教學(xué)的效果。下面就筆者在教學(xué)過程中，對部分疑難問題相應(yīng)舉例的教學(xué)，分別做一闡述：

1 金屬的同素異構(gòu)現(xiàn)象

1867年的冬天俄國彼得堡海關(guān)堆在倉庫里的大批錫磚，一夜之間不翼而飛，留下來的卻是一堆堆像泥土一樣的灰色粉末。1912年，英探險家斯科特帶了大量給養(yǎng)和液體燃料去南極探險，卻凍死在南極，原來是盛液體燃料的鐵筒焊接縫的錫都化成了灰土。原來，錫具有與其他金屬不同的物理性質(zhì).當(dāng)環(huán)境溫度極低時，其晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，體積增加20%左右．變成一種灰色粉末；到了-33℃時，這種變化的速度就會大大加快。那年冬天，俄國彼得堡地區(qū)的氣溫下降到-33℃以下，所以銀光閃閃的錫扣子都不見了，只有釘紐扣的地方留下一小撮灰色的粉末。在常壓下，一些固態(tài)金屬在不同的溫度范圍里，具有不同的晶格。例如，鈦在882°C以下具有密排六方晶格，而在882°C以上直至熔化以前，它卻以體心立方晶格的形式存在，其他金屬，像鐵、鈷、錳、錫、鋯等，它們都具有和這相類似的性質(zhì)。金屬在固態(tài)下，在不同溫度范圍里，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。此課題的提出，使得學(xué)生在理解上出現(xiàn)了問題，即固態(tài)下的某些金屬怎么會出現(xiàn)此現(xiàn)象呢？于此，在講清這個論點前，我先向?qū)W生提出了這樣一個問題：固態(tài)下的金屬都是“熱脹冷縮”嗎？有的學(xué)生答“是”，有的學(xué)生說“不是”。我對同學(xué)說：咱們暫且不下任何結(jié)論，先做一個簡單的舉例。首先取一根直徑為2mm左右，長約1～2m的鐵絲，兩端固定在支架上，通以電流，使其緩慢加熱，隨著電流的增加，我們發(fā)現(xiàn)，鐵絲受熱膨脹而逐漸下垂，當(dāng)加熱到鐵絲呈橙色（約910°C以上）時，鐵絲突然發(fā)生回升現(xiàn)象，表明此時鐵絲產(chǎn)生了收縮。相反，鐵絲由高溫（約1000°C左右）逐漸冷卻時，達(dá)某一溫度會有冷卻時的伸長現(xiàn)象。為什么鐵絲受熱會有收縮現(xiàn)象，而遇冷又有伸長現(xiàn)象呢？顯然這與鐵絲內(nèi)部發(fā)生某種變化有關(guān)。此例的舉出，使學(xué)生既明白了固態(tài)下的一些金屬，并不都是“無條件”的熱脹冷縮，同時也知道了金屬同素異構(gòu)現(xiàn)象發(fā)生的原因，就是金屬在某種條件下晶格之間的轉(zhuǎn)變。

2 疲勞現(xiàn)象

許多機(jī)械零件都是在循環(huán)載荷的作用下工作的，例如曲軸、齒輪、彈簧、各種軸承等等。工作過程中，上述機(jī)械零件常常在它們的工作應(yīng)力還低于制作材料的屈服點或屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞現(xiàn)象。疲勞斷裂與靜載荷作用下的斷裂不同，不管是韌性材料還是脆性材料，疲勞斷裂都是突然發(fā)生的，事先無明顯的塑性變形作為征兆，故而具有很大的危險性。為什么會出現(xiàn)此現(xiàn)象，學(xué)生普遍表示不理解。為什么呢？因為在我們前面講過的拉伸曲線內(nèi)容時，通過對拉伸曲線的分析，學(xué)生已經(jīng)知道金屬材料斷裂前的最大應(yīng)力是抗拉強(qiáng)度，而屈服點或屈服強(qiáng)度的應(yīng)力值低于抗拉強(qiáng)度。應(yīng)當(dāng)講，在抗拉強(qiáng)度以下工作的零件是安全的，不會破壞，可為什么這些零件在低于屈服點或屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂，學(xué)生困惑多多。為此，在授課過程中舉一例：在第二次世界大戰(zhàn)中，有這樣一個戰(zhàn)例，當(dāng)時法西斯德國派出轟炸機(jī)頻頻轟炸英國本土。英國皇家空軍駕駛戰(zhàn)機(jī)空中攔截，戰(zhàn)況慘烈，突然，在不長的一段時間內(nèi)，英國戰(zhàn)機(jī)相繼墜落，機(jī)毀人亡。英軍方對墜落飛機(jī)介入調(diào)查，最初的結(jié)論認(rèn)為，德國是否發(fā)明了什么新式武器，因為在墜落飛機(jī)的殘骸上，無任何的彈痕，從而引起一片恐慌。但隨著調(diào)查的是深入，最終正確的結(jié)論是：這些墜落的戰(zhàn)機(jī)無一例外的是由于疲勞現(xiàn)象的發(fā)生而墜毀的。也就是說，飛機(jī)發(fā)動機(jī)內(nèi)的零件出現(xiàn)了疲勞斷裂。究其原因做進(jìn)一步的分析，機(jī)械零件之所以產(chǎn)生疲勞破壞，主要在由于制造這些機(jī)械零件的材料表面或內(nèi)部有缺陷，如：夾雜、劃痕、尖角、軟點、顯微裂紋等等。這些地方的局部應(yīng)力大于屈服點，在循環(huán)載荷的反復(fù)作用下，產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨應(yīng)力循環(huán)周次的增加，疲勞裂紋不斷擴(kuò)散，使零件的有效承載面積不斷減少，最后達(dá)到某一臨界尺寸時，而突然斷裂。

在金屬材料中添加各種“維生素”是增強(qiáng)金屬抗疲勞的有效辦法。例如，在鋼鐵和有色金屬里，加進(jìn)萬分之幾或千萬分之幾的稀土元素，就可以大大提高這些金屬抗疲勞的本領(lǐng)，延長使用壽命。金屬疲勞所產(chǎn)生的裂紋會給人類帶來災(zāi)難。然而，也有另外的妙用。利用金屬疲勞斷裂特性制造的應(yīng)力斷料機(jī)已經(jīng)誕生?？梢詫Ω鞣N性能的金屬和非金屬在某一切口產(chǎn)生疲勞斷裂進(jìn)行加工。這個過程只需要2s以下的時間，而且，越是難以切削的材料，越容易通過這種加工來滿足人們的需要。

通過舉例讓同學(xué)們知道了金屬疲勞，同時又?jǐn)U充了他們對疲勞現(xiàn)象的認(rèn)識，學(xué)生們一下子就明白了，而且專神貫注、饒有興致地掌握了這一教學(xué)上的疑難點。

由于篇幅的限制，只能列舉這樣的兩個教學(xué)實例，在《金屬材料與熱處理》的教學(xué)中還有很多。針對課程中的某些疑難的內(nèi)容、概念，應(yīng)盡可能的多采用有趣、直觀、多樣的方式進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)；多列舉生活、生產(chǎn)中的實例，以學(xué)生為中心，活躍課堂氣氛，將抽象、深奧的知識，用生動形象的語言和舉例，深入淺出地講授給學(xué)生，使學(xué)生能夠相對容易地理解和吸收，且能舉一反三，應(yīng)用到實際中去，同時激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，使學(xué)生能更多地感知知識、更牢地掌握知識，以達(dá)到“講的透、學(xué)的活、記得住、用得上”之教學(xué)目標(biāo)。

[1]陳志毅.金屬材料與熱處理.中國勞動社會保障出版社，2011.

[2]潘金生，田民波，仝健民.材料科學(xué)基礎(chǔ).清華大學(xué)出版社，2011.

[3]宋維錫.金屬學(xué).冶金工業(yè)出版社，1989.

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2016-2-20