淺談金屬材料與熱處理教學多樣化

一、利用實物、模型、實驗教學

各種不同的金屬，其性能相差很大，比如鐵絲和鋼絲，它們一個柔弱而另一個堅硬。在介紹金屬材料的力學性能時，老師在課堂上向同學們分別展示一段鐵絲和鋼絲，請同學代表上臺檢驗其理論的正確性。為什么外表差不多的物體其性能卻有如此大的差別呢？其根本原因在于物質的化學成分、內部結構的差異所決定。微小的含碳量的區別導致了鐵絲和鋼絲在力學性能上的不同。

所有金屬在固態下都是晶體，而有些非金屬物質在固態下是非晶體。怎樣才能使學生們在課堂上理解晶體和非晶體的區別，不僅從定義上、性能特點上，還是從典型物質上加以區分。晶體的原子呈有序、有規則排列，具有規則的幾何形狀；有一定的熔點，性能呈各向異性。而非晶體的原子呈無序、無規則的堆積，物質沒有規則的幾何形狀；沒有固定的熔點，性能呈各向同性。課堂上老師向同學們展示出晶體與非晶體百寶箱：石英、云母、明礬、食鹽、糖、味精；玻璃、蜂蠟、松香、瀝青、橡膠等，請同學們根據平時所積累的經驗結合老師課堂上給予的知識自我鑒別，一一加以區分，并要求同學們說出理由。讓學生在學到實實在在的知識的同時提高和豐富了他們的觀察能力及語言表達能力，可謂一舉多得。

在教材中，鐵碳合金的組織這一章敘述較為抽象，“組元”及“相”的概念更讓學生難以理解。固溶體的定義是“一種組元的原子溶入到另一組元的晶格中所形成的均勻固相”。筆者在這一章的教學中帶上糖、開水，現場做成幾種不同濃度的糖開水溶液，通過簡單的實驗告訴學生們溶液的溶質含量會隨條件而發生變化，最終會飽和形成飽和溶液，是單相物質。當達到飽和狀態時再繼續添加溶質就會形成過飽和溶液，有了不能被溶解的溶質，即產生了多相物質。α-Fe和γ-Fe兩種晶格對碳原子的溶解能力不同且隨溫度的變化而變化，α-Fe和γ-Fe兩種晶格中分別溶入了碳原子就成了鐵素體F和奧氏體A，它們的溶碳能力不同，性能就有差異。而γ-Fe的溶碳能力大于α-Fe，則奧氏體的強度高于鐵素體，是因為溶質碳原子產生固溶強化的結果，但它們都是單一、均勻的單相物質。通過上述介紹為今后講解鐵碳合金各種組織的性能及鐵碳合金平衡相圖打下了良好的基礎。學好了鐵碳合金相圖，今后在工作崗位中為鋼材的選用和熱加工工藝的制定提供了依據。

教師上課時應該針對學生的狀況靈活地使課堂內容貼近學生的生活和經驗，使學生對教學內容產生親切、熟悉的感覺，吸引學生的注意力，進一步激發學生學習更深層次的求知欲和學習動機，實驗教學就是貼近學生生活和經驗的一種教學方法。學生平時見過甚至用過的已有了一定程度的感性認知，接受起來更容易。教師注意觀察生活，收集素材在教學中使用，教學與興趣相結合而事半功倍。

二、動手制作模型，分組討論研究

金屬的晶格類型是指金屬中原子排列的規律。如果把金屬原子看做一個直徑一定的小球，再用假想的線連接起來，這樣就形成了一個能反映原子排列規律的空間格架，即晶格。能夠完整反映晶格特征的最小幾何單元稱為晶胞。晶格是由許多形狀、大小相同的晶胞重復堆積而成。絕大多數金屬具有下列三種典型的晶格類型之一。一是體心立方。晶胞是一個立方體，原子位于立方體的八個頂點和立方體的中心。二是面心立方。晶胞是一個立方體，原子位于立方體的八個頂點和立方體的六個面中心。三是密排六方。晶胞是一個正六棱柱，原子除排列于柱體的每個頂點和上下兩個底面的中心外，正六棱柱的中心還有三個原子。筆者在教學中買來幾十個乒乓球，分到各個組，學生們自己動手粘貼金屬的三種典型晶格類型的晶胞。學生們做出來的晶胞模型生動、活潑、形象，其樂無窮！學生們對這一部分知識理解透、記得牢、不會忘，還能現身說法。學生清晰的思路，將復雜的抽象概念簡單化，并明白了物質內部的結構對金屬材料性能的影響，具有非常重要的意義。

硬度是金屬材料的力學性能之一，是指金屬材料抵抗局部變形特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。它是衡量材料軟硬程度的指標。硬度越高，材料的耐磨性好。機械加工中所用的刀具、量具以及大部分機械零件都應具有足夠的硬度，以保證其使用性能和壽命，否則容易因磨損而失效。在給學生們講解了硬度的定義、常用壓頭材料、硬度種類及測量原理后，老師在課前準備多種不同材料的試樣：灰鑄鐵、退火的T8鋼、正火的45鋼、調質的40鋼及銅合金等，在學校的布氏硬度計上由老師示范，學生代表記錄測量過程中的所有數據。被布氏硬度計測過的材料其表面留下了不同程度的凹坑。同學們帶著這些試樣回到課堂，分組進行壓痕直徑的測量，對照比較各組的數據，查找書后面的附錄表——壓痕直徑與布氏硬度對照表，每組很快得出了不同編號試樣的硬度數值，小組之間交換數據，討論彼此的差異。有些好奇心強的同學甚至會根據老師前面講過的布氏硬度與強度換算表查出它們的強度。

類似寓教于樂的教學形式還有很多，這樣在達到教學要求的同時培養學生的團隊意識和互助意識。

三、利用社會資源延伸教學內容

熱處理是改善金屬材料使用性能和工藝性能的一種非常重要的工藝方法。它是強化金屬材料、提高產品質量和使用壽命的主要途徑之一。因此，大部分重要的機械零件在制造過程中都必須進行熱處理。淬火是熱處理工藝過程中最重要，也是最復雜的一種工藝。因為它的冷卻速度很快，容易造成材料的變形甚至開裂。如果冷卻速度慢又達不到所要求的硬度。因此，淬火常常是決定產品最終質量的關鍵。除了零件結構設計合理、淬火的加熱溫度適宜外，淬火的冷卻方式就需嚴密考慮和設計。憑借筆者在某公司擔任熱處理顧問的實踐經驗，課堂上向學生介紹并講解生產中幾種典型零件的熱處理淬火工藝：有單液淬火、雙液淬火，有分級淬火，還有下貝氏體的等溫淬火。通過具體的分析和比較強調淬火三要素：淬火加熱溫度，工件保溫時間及淬火冷卻方式。淬火加熱溫度主要取決于零件的材料和形狀，保溫時間主要由工件的尺寸來決定，而冷卻方式就決定了淬火的種類及最終得到的組織和性能。在前兩種因素確定的前提下冷卻方式復雜且難于操作。淬火種類再多，冷卻介質和冷卻方式再不同，但其基本原理是不變的。即為保證淬火質量，得到馬氏體或下貝氏體的前提下，在C曲線的“鼻尖”處冷卻速度大于臨界冷卻速度，盡量減小內應力，減小變形和開裂的傾向，最終保證淬火質量。

課堂上注重學生觀察能力和分析能力的培養。在教學中充分考慮到學生在今后的學習或工作中要具備較高的職業素質和職業技能。面向社會，面向企業，學生學會查閱和應用技術資料，吸收別人的經驗和成果，是他們必須掌握的一項基本功。把學生培養成具有鉆研務實、創新精神的專業技能型人才。學生學到的不僅僅是單一的理論概念，更重要的是掌握一種學習方法，一種自我提升的能力。

教學效果的好壞，關鍵在于教師的教學過程及方法能否引起學生的共鳴，能否在教學過程中形成互動，使學生有飽滿的熱情投入到學習情景中去，變生硬死板的知識概念記憶成為通俗易懂的生活例子。利用日常具體事例，結合學生的學習情況，運用多種教學手段和方法，極大地提高學生的學習興趣，把抽象的概念演繹成簡單的容易掌握且貼近社會的知識，最終成為技能。這樣的教學效果需要教師在教學探索中不斷改進、完善。

（作者單位：南京汽車集團有限公司技工學校）