教學中的難題舉例

金屬材料與熱處理是一門專業性較強、理論抽象、概念較多的專業基礎課。如何在教學過程中充分調動起學生對本課程的學習積極性，是教師的首要任務。如果能把那些抽象、難以理解的內容，通過形象、具體恰當的舉例加以表述，既能活躍課堂氣氛，又能激發起學生的學習興趣和熱情，加深對疑難問題的理解，提高課堂教學的效果。下面就一些疑難問題舉例講述。

一、疲勞現象

許多機械零件都是在循環載荷的作用下工作的，如曲軸、齒輪、彈簧、各種軸承等。工作過程中，上述機械零件常常在它們的工作應力低于制作材料的屈服點或屈服強度的情況下發生斷裂，這種現象稱為疲勞現象。疲勞斷裂與靜載荷作用下的斷裂不同，疲勞斷裂是突然發生的，事先無明顯的塑性變形作為征兆，故而具有很大的危險性。為什么會出現此現象，學生普遍表示不理解。為什么呢？因為通過對拉伸曲線的分析，金屬材料斷裂前的最大應力是抗拉強度，而屈服點或屈服強度的應力值低于抗拉強度。應當講，在抗拉強度以下工作的零件是安全的。為此，在授課過程中舉一例：常見的自行車鏈條，一年兩年不損壞，但是三年后可能斷裂。這就是疲勞破壞，原因是制造這些機械零件的材料表面或內部有缺陷，如夾雜、劃痕、尖角、軟點、顯微裂紋等。這些地方的局部應力大于屈服點，在循環載荷的反復作用下，產生疲勞裂紋，并隨應力循環周次的增加，疲勞裂紋不斷擴散，使零件的有效承載面積不斷減小，最后達到某一臨界尺寸時突然斷裂。

二、晶格畸變現象

在前面課程的講解中，我們將金屬原子的規則排列抽象化，引出了晶胞晶格的概念。當金屬原子那樣排列時，內部原子的排列是非常整齊的，一點兒缺陷都沒有。但是，像這樣理想的晶體，在自然界中幾乎是不存在的。在實際使用的金屬材料中，由于加進了其他種類的外來原子以及材料在冶煉后的凝固過程中受到各種因素的影響，使本來該有規律的原子堆積方式受到干擾，不像理想晶體那樣規則。晶體中出現的各種不規則的原子堆積現象成為晶體缺陷，即實際晶體中原子排列的不完整性。

常見的晶體缺陷有空位和間隙原子、置代原子、位錯、晶界和亞晶界等。由于晶體中存在上述的結構缺陷，因此會造成晶格發生畸變，引起塑性變形抗力的增大，從而使金屬的強度提高。但學生覺得上述晶體缺陷，難與金屬強度的提高聯系起來。

于是舉例如下：班內每個同學相當于原子，整個班集體就好比晶格，“空位”相當于缺勤的同學，“間隙原子”相當于班內的某位同學未安排到整齊的座位去坐，“錯位”相當于幾位同學位置錯排……這樣一來，這個班集體還能是一個平衡、穩定的集體嗎？是不是這個班集體出現了缺陷？同學們一致回答“是”。

接下來，筆者請兩位學生到黑板前，讓他們分別畫出理想狀態下的體心立方晶格和有“學生缺勤、亂坐座位”的體心立方晶格。兩位同學的表述完全準確，尤其是第二位同學畫出的有缺陷的A結果。晶界、亞晶界的存在，也會造成晶格畸變。這是由于實際金屬為多晶體，是由大量外形不規則的小晶體即晶粒組成。晶粒與晶粒之間的接觸界面稱為晶界。這些晶粒之間由于結晶時的位向不同，晶界處的原子排列是不規則的，即使在一顆晶粒內部，其晶格位向也并不像理想晶格那樣完全一致，而是分隔成許多尺寸很小、位向差也很小的小晶塊，這些小晶塊即為亞晶粒，其界面為亞晶界。晶界、亞晶原子排列紊亂，具有抵抗塑性變形的能力，即也能使金屬的強度提高。綜上所述，金屬材料強度的提高，是與金屬晶體的實際缺陷，即“晶格畸變”有著直接關系。

三、過冷現象

純金屬都有一個固定的結晶溫度（或稱凝固點）。純金屬的結晶過程總是在恒定溫度下。這是由于金屬是晶體，其內部原子是按一定規律排列的，金屬結晶成晶體的溫度和冷卻速度有著非常密切的關系，冷卻速度決定結晶溫度。一般情況下，冷卻速度越快，結晶溫度越低。我們把金屬在緩慢冷卻時的結晶溫度稱為理論結晶溫度。而在實際生產中，液態金屬的冷卻速度不可能非常緩慢，總是在一定的冷卻介質中以一定的速度進行冷卻。

因此，實際發生結晶的恒溫溫度總要比理論結晶溫度低，我們把這種金屬的實際結晶溫度低于理論結晶溫度的現象稱為“過冷”現象。學生往往不明白，為什么冷卻速度快了，金屬的結晶溫度就低了呢？筆者給同學們舉了一個這樣的例子：這就像體育比賽短跑項目一樣，當你使用全身的力量跑向終點線時，會超過終點線一段才能停下來。而你如果緩慢地步行到終點線時，你會很自然地立即停下來。

（作者單位：蔚縣勞動技工學校）