黃 鵬， 孫建林， 劉亞東， 唐志君

（1.北京科技大學(xué)材料國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京100083；2.北京科大分析檢驗(yàn)中心有限公司，北京100083）

0 引 言

當(dāng)前我國(guó)高等教育面臨的一個(gè)突出問題是校際教學(xué)質(zhì)量差距大、區(qū)域發(fā)展不平衡［1］。國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的設(shè)立，對(duì)推廣高校優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，提高高人才培養(yǎng)質(zhì)量、消除教學(xué)水平差距發(fā)揮了重要作用［2-3］。而示范中心示范作用的發(fā)揮，國(guó)家級(jí)精品課程的推廣，協(xié)同教學(xué)需要有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)支撐與保障［4-5］。

材料國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心結(jié)合國(guó)家級(jí)精品課程建設(shè)，設(shè)計(jì)、研制系列金相標(biāo)準(zhǔn)試樣，廣泛應(yīng)用于金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)［7］、大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃（SRTP）、大學(xué)生專業(yè)學(xué)科競(jìng)賽［6-7］、中學(xué)生科普活動(dòng)和廠礦企業(yè)研究等方面，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)、競(jìng)賽和科研培訓(xùn)等活動(dòng)提供了標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一、便捷的樣品平臺(tái)，對(duì)發(fā)揮示范作用、推廣優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源產(chǎn)生了積極推動(dòng)作用。

1 高品質(zhì)金相試樣保障金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量

金相學(xué)是研究金屬材料組織的一門學(xué)科，通過對(duì)金屬材料宏觀和微觀組織的觀察分析，來研究金屬組織成分、結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，是材料、機(jī)械、冶金等專業(yè)高級(jí)人才培養(yǎng)中非常重要的內(nèi)容［8］。金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)在金屬材料及相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占有非常重要的地位。

金相試樣直接影響金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量［9-10］。從非專業(yè)生產(chǎn)的社會(huì)企業(yè)采購(gòu)試樣用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，常因不具備精準(zhǔn)熔煉、復(fù)合機(jī)加工、熱處理調(diào)控組織等條件，存在成分不穩(wěn)定、組織、性能不可控、品種單調(diào)等諸多問題，極易影響金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。如，外購(gòu)得到鍛造組織45 鋼、粒狀珠光體T8 鋼試樣，教師需再進(jìn)行組織檢驗(yàn)和熱處理，將樣品組織調(diào)整到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理想狀態(tài)。費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且耗費(fèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)，如不經(jīng)檢驗(yàn)和處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法正常進(jìn)行。

成分穩(wěn)定、組織標(biāo)準(zhǔn)可靠的系列金相試樣，是金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)和重要保障，對(duì)材料類專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)［11-12］非常重要。同時(shí)，材料類大學(xué)生競(jìng)賽、科研培訓(xùn)活動(dòng)，也需要標(biāo)準(zhǔn)、穩(wěn)定的高品質(zhì)金相試樣。

2 金相標(biāo)準(zhǔn)試樣的設(shè)計(jì)、制備和檢驗(yàn)

2.1 金相標(biāo)準(zhǔn)試樣設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問題，自2011 年起材料國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心整合內(nèi)部實(shí)驗(yàn)資源與條件，發(fā)揮學(xué)科優(yōu)勢(shì)，與優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源相結(jié)合，由國(guó)家教學(xué)名師、北京市教學(xué)名師參與開發(fā)研制了多個(gè)系列金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)試樣。如，結(jié)合國(guó)家精品課程、校級(jí)精品課程“材料科學(xué)基礎(chǔ)”“金屬學(xué)”“金屬材料學(xué)”等課程，考察其他高校材料類、機(jī)械類專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和樣品成分，設(shè)計(jì)了鐵碳合金平衡組織系列（如表1）、合金鋼系列、鑄鐵系列、有色金屬合金系列等多個(gè)系列幾十種組織的金相標(biāo)準(zhǔn)試樣。

按使用方向可將金相標(biāo)準(zhǔn)試樣分為觀察用試樣（見圖1）和操作用試樣（見圖2）兩種。觀察用試樣為鑲嵌試樣，可供教師、學(xué)生直接觀察、分析組織；操作用試樣多為全金屬試樣，供學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，也供專業(yè)學(xué)科競(jìng)賽使用。

表1 鐵碳合金組織系列試樣

圖1 觀察用鑲嵌樣金相標(biāo)準(zhǔn)試樣

圖2 操作用全金屬金相標(biāo)準(zhǔn)試樣

此外，可根據(jù)需求開發(fā)研制具有特定成分和形狀，經(jīng)特定工藝制作具有特定組織的金相試樣。這是一般簡(jiǎn)單加工企業(yè)無法做到的。

2.2 金相標(biāo)準(zhǔn)試樣制備

制備流程（見圖3）包括熔鑄、鍛造、熱處理、機(jī)加工、金相制樣5 個(gè)主要步驟。

圖3 金相標(biāo)準(zhǔn)試樣制備工藝流程

（1）真空熔鑄。采購(gòu)所需高純度原料，根據(jù)試樣的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)成分進(jìn)行配比。合金成分控制是一項(xiàng)難點(diǎn)，使用真空感應(yīng)爐熔煉制備，保證高清潔度避免夾雜物，可精確控制化學(xué)成分；除需精確配置合金成分，還要預(yù)估損耗，并根據(jù)各合金成分的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和溶解度來制定合理工藝。采用精準(zhǔn)真空熔煉可保證樣品材質(zhì)完全符合相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或滿足設(shè)計(jì)合金成分要求。

（2）鍛造。將鑄錠鍛造成目標(biāo)尺寸形狀，預(yù)留氧化脫碳層和機(jī)加工余量。

（3）熱處理。根據(jù)對(duì)材料顯微組織要求，設(shè)計(jì)熱處理工藝，確定保溫溫度、時(shí)間和冷卻方式，進(jìn)行相應(yīng)熱處理。

（4）機(jī)加工。根據(jù)設(shè)計(jì)試樣用途，將合金坯料加工成需要尺寸；在此過程中，去除氧化脫碳層等在熱處理過程中因高溫氧化反應(yīng)成分發(fā)生偏差的坯料外層。

（5）金相制樣。對(duì)觀察用試樣進(jìn)行鑲樣，隨后完成“粗磨→水磨→拋光→浸蝕→防氧化處理”的整套制樣流程。

2.3 成分與組織檢測(cè)

具有嚴(yán)格的檢驗(yàn)制度和檢驗(yàn)方式。制備好的標(biāo)準(zhǔn)試樣，必須經(jīng)成分、組織等檢驗(yàn)。各批次試樣按比例抽檢，使用通過CNAS和CMA認(rèn)證的賽默飛世爾直讀光譜儀進(jìn)行成分測(cè)量（見表2），使用奧林巴斯激光共聚焦顯微鏡觀察檢驗(yàn)金相組織。確保成分、組織等均合格后，每塊試樣將刻印唯一性編號(hào)。

表2 第五屆全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽所供比賽試樣成分檢定表（優(yōu)質(zhì)鋼標(biāo)準(zhǔn)）

3 金相標(biāo)準(zhǔn)試樣的應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用

金相標(biāo)準(zhǔn)試樣解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要大量成分穩(wěn)定、組織正確金相試樣的問題。自2011 年以來材料科學(xué)與工程、高等工程師學(xué)院7 年共有2 500多名學(xué)生使用中心研制金相標(biāo)準(zhǔn)試樣接受實(shí)驗(yàn)教學(xué)。其中，實(shí)驗(yàn)課“過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的測(cè)量”使用試樣根據(jù)實(shí)際教學(xué)需求制作外形尺寸，大大方便學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，人均節(jié)省時(shí)間10 min以上。

鐵碳合金組織系列試樣應(yīng)用于“材料科學(xué)基礎(chǔ)”“金屬學(xué)”“金屬材料學(xué)”“金屬材料熱處理”等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生觀察鐵碳合金試樣碳含量從小于0.021 8%逐漸增加至5%。根據(jù)教學(xué)要求還可增加特定碳含量的鐵碳合金觀察試樣?？山Y(jié)合相應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)使用［13］，讓學(xué)生先使用觀察用試樣，學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)金相組織的形貌、構(gòu)成，隨后使用操作用試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，最后對(duì)比個(gè)人實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)試樣的差異進(jìn)行分析，大大增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和分析能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)試樣可根據(jù)教學(xué)要求調(diào)整成分、組織形貌。自2015 年起，許多高校將實(shí)驗(yàn)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)試樣應(yīng)用于自身實(shí)驗(yàn)教學(xué)中（見表3），穩(wěn)定的成分、組織形貌和根據(jù)使用要求調(diào)整的外形有力保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)順利進(jìn)行。

表3 應(yīng)用金相標(biāo)準(zhǔn)試樣教學(xué)及培訓(xùn)高校數(shù)量和使用量統(tǒng)計(jì)表

3.2 大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃（SRTP）應(yīng)用

在大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃（SRTP）中，系列金相試樣也得到廣泛應(yīng)用。材料及相關(guān)專業(yè)科研創(chuàng)新活動(dòng)中，金相制樣后觀察分析材料組織是非常普遍和基礎(chǔ)的科研步驟。金相制樣是金屬材料及相關(guān)專業(yè)研究生的基本技能。加入大學(xué)生科研創(chuàng)新活動(dòng)的很多一年級(jí)、二年級(jí)本科生尚未經(jīng)過專業(yè)課程教學(xué)。試樣成分均勻、組織穩(wěn)定，可保證參加SRTP 的大學(xué)生科研學(xué)習(xí)的正確性，培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)踐能力。

3.3 大學(xué)生專業(yè)學(xué)科競(jìng)賽應(yīng)用

金相標(biāo)準(zhǔn)試樣為專業(yè)學(xué)科競(jìng)賽提供了質(zhì)量均一、確保比賽公平性的標(biāo)準(zhǔn)化試樣平臺(tái)。2011 年6 月首屆北京科技大學(xué)大學(xué)生金相實(shí)驗(yàn)技能大賽開始使用該系列試樣進(jìn)行比賽。至2016 年，標(biāo)準(zhǔn)試樣應(yīng)用于連續(xù)6 屆北京科技大學(xué)校內(nèi)大學(xué)生金相實(shí)驗(yàn)技能大賽暨全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽選拔賽，有力保障了比賽進(jìn)行。2015 年教育部材料類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主辦第四屆全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽，將中心研制標(biāo)準(zhǔn)試樣指定為大賽專用試樣。此后連續(xù)4 屆大賽相繼使用金相標(biāo)準(zhǔn)試樣作為復(fù)賽、決賽樣品（見圖4）。試樣受到大賽組委會(huì)、評(píng)委會(huì)和參賽高校師生的一致好評(píng)，對(duì)“以賽促學(xué)”提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性提高綜合素質(zhì)發(fā)揮了積極推動(dòng)作用［14-16］。

圖4 2015 ～2019年全國(guó)大學(xué)生金相技能大賽提供標(biāo)準(zhǔn)試樣統(tǒng)計(jì)

3.4 科研實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

金相標(biāo)準(zhǔn)試樣解決了高校及廠礦企業(yè)研究所進(jìn)行科研實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要定制試樣成分、組織及外形的問題。常有很多實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤其是科研實(shí)驗(yàn)需要特定成分、組織試樣進(jìn)行教學(xué)、實(shí)驗(yàn)，而該成分合金無廠家生產(chǎn)。中心金相試樣可根據(jù)需要進(jìn)行定制，打破了金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)或科研實(shí)驗(yàn)在試樣成分、組織等方面的限制。

因?yàn)榻鹣鄻?biāo)準(zhǔn)試樣生產(chǎn)過程精準(zhǔn)，品質(zhì)穩(wěn)定可靠，具有先進(jìn)性和實(shí)用性，自開發(fā)研制以來被大量使用。自2015 年至2019 年累計(jì)有全國(guó)210 多所高校、企業(yè)單位使用金相實(shí)驗(yàn)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)試樣超過50 000 件。

4 建設(shè)成效

金相標(biāo)準(zhǔn)試樣的研制與應(yīng)用，徹底避免了因成分、組織不正確影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題，并可根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求調(diào)整成分、組織、工藝步驟與外形尺寸，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，便于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，并為專業(yè)學(xué)科競(jìng)賽提供可靠、公平的基礎(chǔ)平臺(tái)，使用效果良好。金相標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的研制使用，有助于更多科研實(shí)踐活動(dòng)的開展和本科生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

同時(shí)，通過研制金相標(biāo)準(zhǔn)試樣，整合了國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源和儀器設(shè)備資源，提高了大型儀器設(shè)備利用率，打造了一支高水平科研生產(chǎn)隊(duì)伍。結(jié)合金相標(biāo)準(zhǔn)試樣拍攝編寫金相圖譜1 冊(cè)，通過標(biāo)準(zhǔn)試樣、金相圖譜和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)［13］結(jié)合推廣，發(fā)揮國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的示范作用，推動(dòng)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平發(fā)展。

5 結(jié) 語

北京科技大學(xué)材料國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心結(jié)合優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，國(guó)家教學(xué)名師、北京市教學(xué)名師參與設(shè)計(jì)研制了多系列金相標(biāo)準(zhǔn)試樣。金相標(biāo)準(zhǔn)試樣的研制具有先進(jìn)規(guī)范的生產(chǎn)工藝、嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)，獲得北京科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)成果獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。金相標(biāo)準(zhǔn)試樣已在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、SRTP、大學(xué)生專業(yè)學(xué)科競(jìng)賽、科研實(shí)驗(yàn)等多領(lǐng)域應(yīng)用，評(píng)價(jià)反饋良好，為推廣優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、推動(dòng)大學(xué)生競(jìng)賽開展發(fā)揮了重要作用，并發(fā)揮了國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的示范作用。