金屬材料與熱處理課程例證教學(xué)

摘 要 在金屬材料與熱處理課程教學(xué)中常有一些難以理解的概念，用一些較恰當(dāng)?shù)睦樱欣趯W(xué)生的學(xué)習(xí)和理解，從而增強(qiáng)課堂教學(xué)的效果。

關(guān)鍵詞 金屬材料與熱處理；舉例教學(xué)；專業(yè)基礎(chǔ)課

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。在多年的專業(yè)教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)把一些抽象、難以理解的概念，通過(guò)形象、恰當(dāng)?shù)呐e例加以表述，既能活躍課堂氣氛，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)某些疑難問(wèn)題的理解，從而增強(qiáng)課堂教學(xué)的效果。下面是筆者在金屬材料與熱處理課程教學(xué)過(guò)程中，對(duì)一些疑難問(wèn)題進(jìn)行舉例教學(xué)的嘗試。

1 缺口效應(yīng)

金屬材料在有缺口時(shí)，其力學(xué)性能與無(wú)缺口時(shí)不同。因缺口的存在使材料缺口處的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，使材料變脆，進(jìn)而危害機(jī)件的正常工作。如何將缺口效應(yīng)講解清楚？課堂教學(xué)時(shí)，筆者取出兩張塑料包裝紙，其中—張用剪刀在一邊剪了一個(gè)小缺口，另一張保持原樣，然后請(qǐng)一名學(xué)生來(lái)將兩張紙分別撕裂，有缺口的塑料紙很輕易地就被撕成兩半，而另一張則經(jīng)歷很長(zhǎng)的變形階段。很明顯因缺口的存在使同樣的材料表現(xiàn)出的力學(xué)性能發(fā)生變化。在外力作用下有缺口的塑料紙輕易地發(fā)生斷裂，表明外力集中作用在缺口處，改變?nèi)笨谇胺降膽?yīng)力狀態(tài)，產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)變集中，當(dāng)集中的應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)就產(chǎn)生塑性變形并開裂，這就是缺口效應(yīng)。明白這個(gè)道理后，還可以在生活中發(fā)現(xiàn)利用缺口效應(yīng)的例證，比如用玻璃刀切割玻璃就是制造一個(gè)小缺口，在外力作用下人為造成缺口應(yīng)力集中來(lái)切割玻璃；方便袋也是在邊緣制好缺口，方便人們打開使用。同樣，截面的急劇變化如機(jī)件的螺紋、倒角、退刀槽等，材料內(nèi)部的組織不均勻、夾雜物、裂紋等，從廣義上也屬于缺口，具有類似缺口的作用，因此在設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)要避免缺口的存在，增強(qiáng)機(jī)件的安全性。

2 疲勞現(xiàn)象

機(jī)件的斷裂曾給人類造成許多危害和經(jīng)濟(jì)損失。在斷裂的機(jī)件中絕大多數(shù)是在循環(huán)變動(dòng)載荷下工作的，如曲軸、齒輪、彈簧、各種軸承等。工作過(guò)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(diǎn)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。有資料統(tǒng)計(jì)表明，在各類機(jī)件破壞中有80%以上是疲勞斷裂。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(wú)明顯的塑性變形作為征兆，因而具有很大的危險(xiǎn)性。為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象？學(xué)生普遍表示不理解。因?yàn)樵谥v拉伸曲線內(nèi)容時(shí)，通過(guò)對(duì)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(diǎn)或屈服強(qiáng)度的應(yīng)力值低于抗拉強(qiáng)度。

理論上，在抗拉強(qiáng)度以下工作的零件是安全的，不會(huì)破壞，那為什么這些零件在低于屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂？為此，在授課時(shí)筆者取出幾根鐵絲，分別請(qǐng)幾位學(xué)生用反復(fù)彎折的辦法，在很短的時(shí)間內(nèi)將鐵絲折斷。問(wèn)題出來(lái)了，學(xué)生彎折鐵絲的力遠(yuǎn)小于鐵絲的抗拉強(qiáng)度，鐵絲卻斷了。原來(lái)金屬也會(huì)疲勞，剛才反復(fù)彎折的鐵絲就是疲勞的緣故而斷裂。機(jī)械零件之所以產(chǎn)生疲勞斷裂，主要在于制造這些機(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(diǎn)、顯微裂紋等。這些地方的局部應(yīng)力大于屈服點(diǎn)，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，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(shí)，而突然斷裂。

那么，解決疲勞斷裂的方法也就隨之而來(lái)，如采用疲勞安全壽命設(shè)計(jì)法，增加保險(xiǎn)系數(shù)延長(zhǎng)使用壽命。在金屬構(gòu)件上盡量減少薄弱環(huán)節(jié)，如開孔、開口、切口、尖口、小圓角半徑和防止截面形狀的突然變化，避免引起應(yīng)力集中，增加表面光潔度，保護(hù)表面不受銹腐蝕之害，等等。

3 金屬同素異構(gòu)現(xiàn)象

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 ℃以下具有密排六方晶格，而在882 ℃以上直至熔化以前，它卻以體心立方晶格的形式存在。純鐵在912 ℃下是體心立方晶格，在912～1 394 ℃之間是面心立方晶格，在1 394 ℃以上至熔化前是體心立方晶格。還有很多金屬也具有相類似的性質(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。講這個(gè)概念時(shí)，學(xué)生不太理解，固態(tài)下的某些金屬怎么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？在講這個(gè)問(wèn)題前，筆者先向?qū)W生提出這樣一個(gè)問(wèn)題：固態(tài)下的金屬都是“熱脹冷縮”嗎？有的學(xué)生說(shuō)“是”，有的學(xué)生說(shuō)“不是”。筆者對(duì)學(xué)生說(shuō)：咱們暫不下結(jié)論，先做—個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)。筆者取出一根直徑為2毫米、長(zhǎng)為l.2米的鐵絲，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，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 ℃以上）時(shí)，鐵絲突然發(fā)生回升現(xiàn)象，表明此時(shí)鐵絲產(chǎn)生收縮；相反，鐵絲由高溫（約1 000 ℃左右）逐漸冷卻時(shí)，達(dá)某一溫度又會(huì)有冷卻時(shí)伸長(zhǎng)的現(xiàn)象。為什么鐵絲在加熱過(guò)程中會(huì)有收縮現(xiàn)象，而冷卻時(shí)又有伸長(zhǎng)現(xiàn)象呢？顯然這與鐵絲內(nèi)部發(fā)生某種變化有關(guān)。通過(guò)這個(gè)例子，使學(xué)生明白固態(tài)下的某些金屬，并不都是“無(wú)條件”的熱脹冷縮，同時(shí)也知道金屬同素異構(gòu)現(xiàn)象發(fā)生的原因，就是金屬在某種條件下內(nèi)部晶格之間發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致體積發(fā)生改變，產(chǎn)生“熱縮冷脹”的奇怪現(xiàn)象。

4 偏析現(xiàn)象

合金中各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。鑄錠（件）在結(jié)晶時(shí)，由于各部位結(jié)晶先后順序不同，合金中的低熔點(diǎn)元素偏聚于最終結(jié)晶區(qū)，造成宏觀上或微觀上的成分不均勻。在講述這一概念時(shí)，學(xué)生對(duì)此感到不好理解。為此筆者在講課前布置一個(gè)試驗(yàn)課題，讓學(xué)生利用休息時(shí)間自治一個(gè)冰激凌，制作的方法是將牛奶冰凍成冰塊，并自己品嘗味道。上課時(shí)筆者先問(wèn)學(xué)生冰激凌的味道，得知自制冰激凌在嘴里的味道是開始時(shí)很甜，到后來(lái)就淡而無(wú)味，就是單純的冰屑了。

那么為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢？水的結(jié)晶溫度是0 ℃，而牛奶中含有水，牛奶中的水有3種性質(zhì)：第一種游離水含量最多，它不會(huì)與其他物質(zhì)結(jié)合，只起溶劑作用；第二種結(jié)合水是與蛋白質(zhì)、乳糖、鹽類結(jié)合在一起的一種水，不再溶解其他物質(zhì)，在任何情況下不發(fā)生凍結(jié)；第三種是結(jié)晶水，是與乳糖結(jié)晶體一起存在的水。當(dāng)牛奶凍結(jié)時(shí)，游離水先結(jié)冰，牛奶由外及里逐漸凍結(jié)，但牛奶中蛋白質(zhì)、脂肪、乳糖、鈣等不結(jié)冰，隨著冰凍時(shí)間延長(zhǎng)，游離水消失，牛奶里面蛋白質(zhì)、乳糖等物質(zhì)出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，導(dǎo)致口味的變化。

通過(guò)這個(gè)小實(shí)驗(yàn)，學(xué)生明白了偏析的含義，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步講解知道，偏析分為3種。1）晶內(nèi)偏析：取決于結(jié)晶時(shí)的冷卻速度、偏析元素?cái)U(kuò)散能力和固相線傾斜度等，可以通過(guò)退火將偏析消除。2）區(qū)域性偏析：在較大范圍內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，退火無(wú)法將該情況消除，這種偏析與澆注溫度、澆注速度等有關(guān)。3）比重偏析：合金凝固時(shí)析出的初晶與余下的液體存在較大的比重差，最終導(dǎo)致材料出現(xiàn)分層、化學(xué)成分不均勻的情況，可采用降低澆注溫度加大冷卻速度，加入微量元素使比重適當(dāng)?shù)确椒▉?lái)控制。通過(guò)這樣講解，解決了學(xué)生理解的困難。

類似的例子還有很多，在此不再一一列舉。總之，在金屬材料與熱處理的教學(xué)中，要想很好地完成教學(xué)任務(wù)，作為專業(yè)課教師，自身要有淵博的知識(shí)、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)課程中的某些疑難的內(nèi)容、概念，要盡可能地多舉生活、生產(chǎn)中的實(shí)例，就可取得很好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]束德林.金屬力學(xué)性能[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

（作者單位：江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校）