吳 騰，吳 潤

（武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，武漢 430081）

0 引言

高校辦學(xué)治校的首要問題是回答好“培養(yǎng)什么樣的人、如何培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人”。這是辦好中國特色社會主義大學(xué)的關(guān)鍵所在，是新時代高教思想給高校實驗室管理體系建設(shè)提出的新內(nèi)涵與新要求［1］。我校是一所以鋼鐵冶金為特色高校，金屬材料工程專業(yè)又貼合社會實踐和工程應(yīng)用，提出以社會需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)思想素質(zhì)高、基礎(chǔ)扎實、知識面廣、富有實踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神的材料工程領(lǐng)域的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。面對世界各國都在加大新材料和新能源等領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)和突破，我國制造業(yè)也面臨轉(zhuǎn)型升級，并適時提出了“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略［2］和“新工科”建設(shè)［3］。為了應(yīng)對新形勢下發(fā)展需求，將先進的前沿科研成果轉(zhuǎn)化為本科實驗教學(xué)資源［4-5］，對培養(yǎng)具備實踐創(chuàng)新能力和國際競爭力的工程應(yīng)用人才具有重要意義。

材料力學(xué)性能和材料科學(xué)基礎(chǔ)課程是材料類相關(guān)專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，傳統(tǒng)的相關(guān)實驗課內(nèi)容較單一，主要是掌握實驗原理和操作方法，不利于激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和探究能力［6-7］。我校通過改革傳統(tǒng)教學(xué)模式和教學(xué)方法，在課程教學(xué)中引進汽車用先進熱軋雙相鋼的介紹及研究進展，構(gòu)建以問題、項目為導(dǎo)向的教學(xué)模式，鼓勵學(xué)生參與多種形式的研究性學(xué)習(xí)，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)業(yè)精神［8-9］。我校在與某鋼鐵企業(yè)合作的同時，在實驗教學(xué)中引入不同級別的雙相鋼板，學(xué)生基于材料力學(xué)性能和材料科學(xué)基礎(chǔ)相關(guān)理論及實驗原理和實驗室現(xiàn)有設(shè)備去判別所給兩種雙相鋼的級別，使本科教學(xué)涉入工程實踐前沿內(nèi)容以提高其研究探索和工程應(yīng)用能力。

1 實驗材料及方法

雙相鋼作為先進高強鋼具有高的強度、均勻伸長率、初始加工硬化率和低的屈強比等優(yōu)點，廣泛用于車身結(jié)構(gòu)件、車輪、剎車盤和車架等。高強度熱軋雙相鋼的開發(fā)研制不僅具有可觀的經(jīng)濟效益，而且可實現(xiàn)節(jié)能減排和汽車的輕量化，符合“十三五”規(guī)劃的發(fā)展綱要，具有廣闊的應(yīng)用前景和顯著社會經(jīng)濟效益。實驗項目取材于校企合作制備的汽車用熱軋雙相鋼，板厚5.0 mm，待測的兩種雙相鋼牌號分別為DP600 和DP1200。學(xué)生5 人1 組，每組兩塊實驗用鋼，分別編號為1＃和2＃，利用所學(xué)的理論知識和實踐操作技能依托湖北省材料學(xué)實驗示范中心和耐火材料與冶金國家重點實驗室對待測實驗鋼強度級別進行判別。經(jīng)過近3 年的實驗研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生研究所使用的實驗方法集中在拉伸試驗、微觀組織觀察、硬度測試和沖擊試驗。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能及加工硬化率

按GB／T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》沿板軋向切取板狀拉伸試樣，標距為50 mm，寬度為12.5 mm，在WAW-500C 型液壓式萬能材料試驗機上進行拉伸試驗，測量其拉伸性能及加工硬化率（n值）。實驗鋼板經(jīng)室溫拉伸后得到的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1 所示。

圖1 實驗鋼工程應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

又根據(jù)國標對強度修約至1 MPa、伸長率修約至0.5%可得相應(yīng)的拉伸性能和n 值如表1 所示。1＃試樣的抗拉強度為620 MPa，屬于DP600；2＃試樣的抗拉強度為1 273 MPa，屬于DP1200。由圖1 可見兩種實驗鋼得到的拉伸曲線為連續(xù)屈服，且初始加工硬化率均較高，這是由雙相鋼的組織組成決定的。熱軋雙相鋼首先在兩相區(qū)等溫弛豫析出鐵素體，再快冷至Ms點以下相變得到馬氏體，馬氏體相變膨脹會擠壓周圍的鐵素體產(chǎn)生大量的可動位錯，從而均可以得到連續(xù)屈服和高的初始加工硬化率的實驗鋼板。通過拉伸實驗可以判別出兩塊實驗鋼板的強度級別，但還沒有搞清楚其他一些參數(shù)存在較大差異的原因，如果淺嘗輒止，是不利于創(chuàng)造性思維和探究能力的培養(yǎng)，在實驗教學(xué)中可引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮主觀能動性，克服困難，這樣也有利于加深理論知識的理解與應(yīng)用。因此，學(xué)生想從微觀的組織結(jié)構(gòu)去做進一步的探索。

表1 實驗鋼拉伸實驗結(jié)果

2.2 顯微組織觀察及斷口形貌分析

為了探討不同強度級別雙相鋼的組織組成機理及其對材料拉伸性能的影響，部分學(xué)生采用了掃描電子顯微鏡對實驗鋼的表面形貌和斷口形貌進行了微觀觀察。從鋼板上用線切割切取10 mm ×15 mm 的試樣，將樣品經(jīng)粗磨—細磨—拋光—侵蝕，侵蝕液為4%硝酸酒精溶液，侵蝕時間為10 s。圖2（a）所示是1＃試樣5 000 倍下得到的照片，馬氏體有長條和小塊狀，邊界平直而清晰，體積分數(shù)約18.7%，鐵素體內(nèi)無碳化物等析出物。圖2（b）所示是2＃試樣5 000 倍下得到的照片，馬氏體體積分數(shù)約為76.8%，以大塊狀和長條馬氏體為主。由于馬氏體是碳在鐵素體中過飽和的固溶體，其強度也遠高于鐵素體，2＃試樣的馬氏體較多，其抗拉強度也較高，故也可以通過顯微組織對其強度進行判別，其鐵素體較少且內(nèi)部有碳化物析出，故其屈服強度較1＃試樣要高，而鐵素體承擔(dān)了大部分的塑性變形，導(dǎo)致其伸長率也較低為13.0%。2＃試樣中較多的大塊狀馬氏體降低了馬氏體與鐵素體的有效接觸面積，使其n 值也相對較低為0.12。圖2（c）所示是1＃實驗鋼拉伸后的斷口形貌，內(nèi)部有較多的韌窩，韌窩邊部有白亮區(qū)，是由于高應(yīng)變塑性變形并與拉伸軸呈45°的剪切應(yīng)變產(chǎn)生，是典型的微孔聚集斷裂，說明該實驗鋼的塑韌性較好。而2＃實驗鋼中也有韌窩［見圖2（d）］，其韌窩較1＃試樣少且淺，說明該實驗鋼具有一定的塑韌性，但是較1＃試樣的要差，其伸長率和n 值也相對較低。拉伸實驗和金相觀察得到的結(jié)論是一致的且相互印證，但其操作過程較為復(fù)雜，特別是金相制樣需要多道工序去耐心和細心的完成。

圖2 實驗鋼的掃描電鏡照片

2.3 硬度測試分析

實驗鋼是高強度熱軋雙相鋼，雖然均是由馬氏體和鐵素體組成，但其體積分數(shù)不一樣，得到的力學(xué)性能也不一樣。硬度是材料抵抗另一種較硬物體壓入表面的抗力，故硬度和強度具有相關(guān)性。而硬度通過壓入深度反應(yīng)硬度的大小，壓入深度越大，硬度越小，強度也越低；壓入深度越小，硬度越大，強度也越大。硬度測試是在洛氏硬度計HR-150A 上進行，加載力為1.5 kN，壓頭為金剛石壓頭，其操作簡便，可直接通過表盤讀數(shù)得到硬度值。由于洛氏硬度的壓痕較小，需對試樣打多個點取平均值。按照GB／T 230.1—2009《金屬材料洛氏硬度試驗第1 部分：試驗方法》進行預(yù)加載荷、加主載荷、緩慢卸載等操作，最后從表盤讀數(shù)，保留一位小數(shù)。得到1＃試樣的平均硬度為34.1 HRC，2＃試樣的平均硬度為56.4 HRC。由于含碳量的不同，馬氏體硬度＞鐵素體硬度，故可根據(jù)硬度測試判別1＃為DP600 及2＃為DP1200。

2.4 沖擊測試分析

沖擊試驗是一種高應(yīng)變速率的動態(tài)力學(xué)試驗，它將具有一定形狀和尺寸的帶有U 型或V 型缺口的試樣，在沖擊載荷作用下折斷，以測定其沖擊吸收功AK和沖擊韌性值αK的一種試驗方法。由于待測試樣的強度級別相差比較大，DP1200 屬于超高強雙相鋼，其馬氏體含量多，而馬氏體既硬又脆，故其沖擊功也相對較低。沖擊測試是在JB-300 上進行，按照GB／T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》將試樣加工為10 mm×5 mm×55 mm，試樣中部開深2 mm的V型缺口，擺錘量程選用150 J。首先進行空擺試驗，當(dāng)其沖擊功為0 時，再進行對試樣的沖擊。沖擊測試得到的1＃試樣的沖擊功為54 J，2＃試樣的沖擊功為31 J，故1＃試樣為DP600，2＃試樣為DP1200，這與前述的斷口分析的結(jié)果一致，說明1＃比2＃具有更好的沖擊韌性。

3 實施效果

學(xué)生在實驗結(jié)束后對實驗結(jié)果和方法進行了對比和分析，通過查閱文獻對雙相鋼的研究進展有了進一步的了解，DP600 是目前汽車用雙相鋼生產(chǎn)應(yīng)用的主流，但DP1200 因其超高強度和相對較差的力學(xué)性能和成形性能僅停留在實驗研發(fā)階段，而汽車用鋼的強度越高越有利于減重，從而達到輕量化的目的。因此，汽車用鋼的高強化是未來的發(fā)展方向。通過創(chuàng)新項目探究了這兩種實驗鋼板的強度，不僅有利于學(xué)生加深對相關(guān)理論知識的理解和實驗技能的掌握，而且有利于調(diào)動學(xué)生的主觀能動性和提高學(xué)生的團隊協(xié)作能力，有部分學(xué)生申請留校讀研進行更深入研究，以期能為DP1200 的研發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用貢獻自己的力量。我校也積極響應(yīng)黨和國家“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”號召，深入貫徹落實《國務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》，于2017 年由教務(wù)處、學(xué)工處、校團委、研究生院、科研發(fā)展研究院聯(lián)合組建了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，制定了“武漢科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目管理辦法”和“武漢科技大學(xué)學(xué)生學(xué)科和科技競賽管理辦法”，對學(xué)生的創(chuàng)新實踐訓(xùn)練給予了極大支持。我校金屬材料工程專業(yè)2016 級學(xué)生積極參加由中國體視學(xué)學(xué)會主辦的第七屆“金相學(xué)會杯”全國高校大學(xué)生金相大賽和第五屆材料綜合技能大賽，參賽學(xué)生獲得1 個特等獎、2 個一等獎和1 個二等獎，也參加了由教育部高等學(xué)校材料類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會主辦的第八屆全國大學(xué)生金相技能大賽，參賽學(xué)生獲得1 個一等獎、1 個二等獎和1 個三等獎。創(chuàng)新項目和競賽指導(dǎo)相輔相成，共同促進了教學(xué)的提高，也促進了教師進一步的教學(xué)改革以期取得更好的成績［10-12］。

4 結(jié)語

結(jié)合汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，將先進高強鋼引入實驗教學(xué)中，基于材料力學(xué)性能和材料科學(xué)基礎(chǔ)的實驗原理探究了所給兩種熱軋雙相鋼的強度級別，開闊了學(xué)生對當(dāng)前汽車工程材料認識的視野，培養(yǎng)了學(xué)生動手操作能力、研究探索能力和創(chuàng)新思維能力，取得了較好的實驗教學(xué)效果。將科研成果和進展項目轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)資源，這對實驗教師的科研能力和教學(xué)水平提出了較高要求，需要實驗教師苦練內(nèi)功、大膽創(chuàng)新、積極探討研究新技術(shù)與新方法［13-15］。我校積極開展實驗教學(xué)成果獎評比、加大學(xué)科競賽指導(dǎo)老師的獎勵制度以及將正高級實驗師納入職稱評審體系等，有利于增強實驗教師的榮譽感、歸屬感和價值感。這種良性互動有利于深化實驗教學(xué)改革，也是培養(yǎng)具有嚴謹科學(xué)精神與責(zé)任擔(dān)當(dāng)意識的新時代工程應(yīng)用人才的應(yīng)有之義。