卓越工程師培養(yǎng)模式下的《工程材料》實驗教學改革探討

薛冰+殷鳳仕+孫國棟+賈賀澤+徐振+劉顯昌+孫兆海

摘要：本文闡述了在卓越工程師培養(yǎng)模式下的《工程材料》實驗教學研究，對傳統(tǒng)實驗教學采用的教師灌輸、學生單純模仿的機械教學方式進行改革。優(yōu)化后的實驗內(nèi)容把碳鋼的淬火和回火、金相試樣制備、金相組織分析、硬度測定、鋼的淬透性分析、合金元素的作用等實驗項目進行綜合，形成鋼的熱處理綜合性實驗。實驗內(nèi)容充分綜合了學生在課堂中所學知識，有效地提高了學生的實際操作能力和獨立思維能力。

關鍵詞：卓越工程師培養(yǎng)；實驗教學；工程材料；熱處理；力學性能；組織分析

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）09-0020-02

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措，旨在培養(yǎng)一大批創(chuàng)新能力強、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術人才。高等工程教育迫切需要培養(yǎng)一大批能夠適應和支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的工程人才。《工程材料》知識面覆蓋量大，涉及內(nèi)容較多，但課時少，加大了學生的學習難度。傳統(tǒng)的實驗教學方法是開設以下三個獨立的實驗：（1）金相試樣制備與碳鋼平衡組織觀察（2學時）；（2）鋼的熱處理操作及非平衡組織觀察（4學時）；（3）鋼的淬透性實驗（2學時）。這種實驗教學方法，學時多、效果差，學生不能把所學知識進行綜合。本實驗教學改革的目的是想在有限的實驗學時條件下，有效地把鋼的熱處理、金相組織分析、性能測試以及合金元素對鋼性能的影響等多個知識點進行綜合，讓學生把學過的理論知識和實踐進行有機地結(jié)合，達到融會貫通和快速掌握所學過知識的目的。

一、設想及方案設計

（一）設想

（1）通過實驗使學生鞏固書本上的知識，把所學的知識進行綜合思考，培養(yǎng)學生的實際操作能力、綜合分析運用能力以及勇于開拓的創(chuàng)新能力。（2）通過實驗使學生利用所學的知識，正確設計實驗方案，正確使用實驗設備和實驗儀器，準確獲得實驗數(shù)據(jù)，正確記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，對實驗數(shù)據(jù)進行綜合分析，得出科學合理的結(jié)論。

（二）方案設計

本實驗教學改革把原來實驗項目中鋼的淬火和回火、碳鋼的組織觀察、鋼的淬透性等試驗項目和金相試樣制備、硬度測定等結(jié)合起來，使之成為一個綜合性實驗。把碳鋼的熱處理工藝、不同冷卻介質(zhì)和合金元素對鋼的淬透性的影響等知識點進行綜合，形成一個綜合熱處理工藝、金相組織分析、合金元素的作用等的研究性實驗，通過對實驗結(jié)果進行分析研究，使學生達到融會貫通和快速掌握所學知識的目的。

二、方案的實施

（一）綜合性實驗的名稱

鋼的熱處理綜合性實驗。

（二）實驗目的與要求

（1）分析淬火介質(zhì)和回火溫度對材料性能的影響。（2）分析合金元素對鋼的淬透性的影響。（3）了解熱處理工藝流程、熟悉熱處理儀器的使用。（4）發(fā)現(xiàn)實驗中的問題并運用所學知識分析問題。

（三）實驗材料

45#鋼 化學成分以重量百分比計為：C 0.42%～0.50%，Si 0.17%～0.37%，Mn 0.50%～0.80%，Cr≤0.25%，Ni≤0.30%，Cu≤0.25%。40Cr鋼 化學成分以重量百分比計為：C 0.37%～0.45%，Si 0.17%～0.37%，Mn 0.50%～0.80%，Cr 0.80%～1.10%，S≤0.030 P≤0.030，Ni≤0.25，Cu≤0.030。

（四）實驗過程

實驗時每組8名學生，根據(jù)鐵碳相圖確定熱處理淬火加熱溫度。表1列出了該組學生設計的熱處理實驗方案，每名學生負責兩個試樣的熱處理操作和金相分析以及硬度測試，最后將硬度測試結(jié)果匯總于表1。

三、實施的效果

根據(jù)表1的實驗結(jié)果，實驗的學生可以得到如下的規(guī)律：

（1）45鋼試樣水冷時，表層硬度高，心部硬度低。這是由于45鋼的淬透性不足（見圖1a，箭頭所指黑色點狀物質(zhì)為夾雜物，基體為馬氏體組織），表層得到全部馬氏體，而心部未能得到全部馬氏體（見圖1b，灰色區(qū)域為硬度較低的屈氏體組織，其他區(qū)域為馬氏體組織）。（2）45鋼試樣淬火后，水冷試樣的硬度高于油冷試樣。這是由于油比水的冷卻速度慢，淬火后得到較多體積分數(shù)的屈氏體（圖1c，灰色區(qū)域為硬度較低的屈氏體組織，其他區(qū)域為馬氏體組織）。（3）冷卻介質(zhì)是油時，40Cr鋼試樣淬火后的硬度明顯高于45鋼試樣。這是因為兩種鋼的淬透性不同，40Cr鋼中合金元素Cr的加入，使過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的C曲線右移，降低了臨界冷卻速度，從而提高了鋼的淬透性。（4）水冷淬火后再回火，隨回火溫度的升高，硬度降低，但40Cr鋼硬度降低的慢，說明40Cr鋼的抗回火穩(wěn)定性高。40Cr中合金元素Cr的加入，延緩了回火過程中的組織轉(zhuǎn)變過程。其次，Cr的固溶強化作用也是40Cr鋼回火穩(wěn)定性升高的一個原因。

（a）860℃×20min水冷表層組織（b）860℃×20min水冷心部組織 （c）860℃×20min油冷表層組織

四、結(jié)束語

本次實驗中，讓學生自己根據(jù)所學的知識設計實驗方案，并對實驗結(jié)果進行分析，不但學會了金相試樣制備、金相組織分析和材料性能的測試方法，并了解了基本的熱處理工藝及合金元素對材料組織和性能的影響。通過對本實驗的領會和掌握，可以對實際生產(chǎn)中的熱處理工藝和檢測方法有一個很好的了解，滿足一個工程技術人員的要求。

通過我們對本次實驗教學進行改進，充分調(diào)動和激發(fā)了學生對實驗的積極性和主動性，增強了實驗教學的研究性；讓學生自己設計實驗方案，大大提高了學生的實驗操作技能，并培養(yǎng)了學生對實驗結(jié)果的分析能力和總結(jié)能力，取得了滿意的效果。

參考文獻：

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