虛擬仿真技術(shù)在材料實驗教學(xué)中的應(yīng)用探討

高 圓 席生岐 孫巧艷 鄭巧玲 高義民西安交通大學(xué)材料學(xué)院金屬材料強度國家重點實驗室 陜西西安 710049

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虛擬仿真技術(shù)在材料實驗教學(xué)中的應(yīng)用探討

高 圓 席生岐 孫巧艷 鄭巧玲 高義民
西安交通大學(xué)材料學(xué)院金屬材料強度國家重點實驗室 陜西西安 710049

摘 要：虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，虛擬仿真技術(shù)在材料教學(xué)實驗中的應(yīng)用將極大地提高教學(xué)質(zhì)量，節(jié)約教學(xué)資源。重點介紹了虛擬仿真技術(shù)在組織觀察與定量分析實驗、Pb-Sn二元相圖測定、晶體結(jié)構(gòu)堆垛等實驗中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；材料科學(xué)；實驗教學(xué)

1 虛擬仿真技術(shù)簡介

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，教育信息化受到國家的高度重視。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》(以下簡稱《教育規(guī)劃綱要》)[1]明確指出：“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視”。教育部于2013年3月頒布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》[2]則從頂層設(shè)計入手，從宏觀戰(zhàn)略的高度提出了建立具有中國特色的教育信息化體系。

國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作順應(yīng)了高等教育的發(fā)展趨勢[3]，是高等學(xué)校實驗教學(xué)信息化的最新舉措，必將對我國高等教育質(zhì)量的提高產(chǎn)生積極重要的作用。虛擬仿真實驗教學(xué)綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，通過構(gòu)建逼真的實驗操作環(huán)境和實驗對象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全且經(jīng)濟的實驗，進而達到真實實驗不具備或難以實現(xiàn)的教學(xué)效果，尤其對于那些涉及高危或極端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實驗項目，虛擬仿真實驗教學(xué)具有明顯的優(yōu)勢，并對傳統(tǒng)的實驗教學(xué)思想、體系、模式、內(nèi)容、方法以及手段等都產(chǎn)生了意義深遠(yuǎn)的顛覆性影響。虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，體現(xiàn)出信息技術(shù)與教育教學(xué)融合發(fā)展和與學(xué)科專業(yè)深度融合帶來的實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新。

材料科學(xué)是一門實驗性很強的學(xué)科，實驗教學(xué)是培養(yǎng)材料學(xué)科高素質(zhì)人才的重要實踐性環(huán)節(jié)[4]。其中，某些重要的關(guān)鍵性教學(xué)實驗具有一定的危險性和高消耗、高成本、高污染、極端不可見等特點，通過虛擬仿真實驗的方式，可以達到接近現(xiàn)場實體實驗的效果，并可無限制、無污染、無浪費、安全高效地重復(fù)操作，節(jié)約教學(xué)資源，實現(xiàn)綠色實驗教學(xué)[5]。

2 我校材料實驗課程簡介

2.1金相技術(shù)與材料組織顯示分析實驗

金相技術(shù)與材料組織分析實驗是配合我院材料科學(xué)基礎(chǔ)課程開設(shè)的32學(xué)時獨立實驗課程[6]。本課程采取單一、綜合、討論等多種實驗形式相結(jié)合的實驗體系，以達到內(nèi)容緊湊、綜合性強的目的。該實驗課程具體內(nèi)容設(shè)計為以下4個單元共12個實驗項目：金相分析基礎(chǔ)及鋼鐵組織分析單元、定量金相分析單元、結(jié)晶凝固與塑性變形組織分析單元和材料的結(jié)構(gòu)相圖與組織分析單元。教學(xué)上按上單元組織，教師負(fù)責(zé)單元實驗的相關(guān)基礎(chǔ)知識講解，實驗員負(fù)責(zé)具體實驗方法與安排。具體實驗形式為多媒體實驗課件講授、現(xiàn)場操作錄像放映、實驗儀器示范介紹、以學(xué)生自主實驗方式開展。每位學(xué)生在實驗前預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，根據(jù)教學(xué)實驗各個實驗項目開放時間段，提出個人實驗預(yù)約時間，提交實驗實施方案。實驗中以學(xué)生自己動手動腦為主，指導(dǎo)教師僅給予啟發(fā)性指導(dǎo)，其中綜合實驗要求學(xué)生自行組織成組，自己設(shè)計、選擇材料、制定工藝、分析組織，除按要求完成實驗報告外，另外還要求有小組交流討論的總結(jié)報告。

2.2工程材料基礎(chǔ)實驗

工程材料基礎(chǔ)課程在我院課程組努力下已建設(shè)成為國家精品課程，并入選國家精品資源共享課程，主要針對我校理工類非材料專業(yè)學(xué)生開放[7]。其8學(xué)時課內(nèi)實驗?zāi)康氖羌訌妼W(xué)生動手實踐能力，加深理解課堂學(xué)習(xí)的知識，特別是通過開放性的學(xué)生自主綜合實驗，使非材料專業(yè)的理工科學(xué)生也能深刻理解材料的成分-工藝-組織-性能之間的關(guān)系，為學(xué)生以后在工作中解決工程材料方面的相關(guān)問題打下良好的科學(xué)基礎(chǔ)，從實驗的角度配合實現(xiàn)“工程材料基礎(chǔ)”課程的教學(xué)目標(biāo)。從培養(yǎng)理工類非材料專業(yè)學(xué)生能夠合理選材并正確制定零件的加工工藝路線能力的目標(biāo)出發(fā)，以鋼鐵材料為例，圍繞工程材料的成分-工藝-組織-性能之間的關(guān)系主線，本實驗包含“金相顯微鏡的使用與金相樣品的制備”(實驗1)、“碳鋼和鑄鐵的平衡組織與非平衡組織的觀察與分析”(實驗2)兩個基本實驗和碳鋼熱處理及組織與性能測試分析綜合實驗。

3 虛擬仿真技術(shù)在金相實驗課程中的應(yīng)用

3.1組織觀察與定量分析實驗

碳鋼和鑄鐵的平衡組織與非平衡組織的觀察與分析是金相實驗和工程材料基礎(chǔ)實驗課程中非常重要的基礎(chǔ)實驗。該實驗要求學(xué)生觀察共18種碳鋼和鑄鐵的平衡組織與非平衡組織樣品，包含工業(yè)純鐵、亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼、白口鑄鐵、灰口鑄鐵、淬火碳鋼以及等溫淬火碳鋼等幾大類材料，涉及的典型組織有鐵素體、滲碳體、片狀珠光體、球狀珠光體、室溫萊氏體、板條馬氏體、片狀馬氏體、殘余奧氏體、上貝氏體、下貝氏體等。樣品種類多、組織形態(tài)各異，對于理工類非材料專業(yè)學(xué)生存在信息量過大，難以記憶識別等問題。

隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)金相圖譜書籍的基礎(chǔ)上，發(fā)展成了金相圖譜管理系統(tǒng)軟件。將金相照片以數(shù)字圖像的方式存儲在計算機上，可以方便地進行查看和分析。金相圖譜管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　金相圖譜管理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

金相圖譜管理系統(tǒng)軟件主要分為四個部分。圖像輸入模塊將顯微鏡攝取的光學(xué)圖像變?yōu)閿?shù)字圖像。在圖譜管理模塊中，用戶可選擇查看軟件收錄的所有金相圖譜，所有圖譜均按金相國家檢驗標(biāo)準(zhǔn)的圖譜錄入。圖像分析模塊是該軟件功能強大的核心模塊，可以實現(xiàn)圖像處理，幾何測量和自動評級三大功能。該軟件依照金相國家檢驗標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)出了百余個類別,共計三百多種國家檢驗標(biāo)準(zhǔn)軟件功能模塊，用戶可根據(jù)需要，選擇相關(guān)<金相國家檢驗標(biāo)準(zhǔn)>進行檢驗工作，得到金屬的級別。在分析工作完成后，用戶可將分析結(jié)果生成報告并且打印。

金相圖譜管理系統(tǒng)軟件功能強大、操作簡單、直觀性強。在教學(xué)實驗中引入金相圖譜管理系統(tǒng)軟件，可使學(xué)生快速獲得鋼鐵材料的金相圖譜，得到鋼鐵材料及組織、性能與各種熱加工工藝之間的對應(yīng)關(guān)系。

使用金相圖譜管理系統(tǒng)軟件，學(xué)生還可進行定量分析。典型的分析實例有球墨鑄鐵中鐵素體和珠光體數(shù)量分級，球墨球化分級和石墨大小分級，晶粒度評級，非金屬夾雜評級，金屬平均晶粒度測定和多項組織分析。

3.2晶體結(jié)構(gòu)的堆垛實驗

材料的性質(zhì)與其晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)，晶體結(jié)構(gòu)對于材料研究、開發(fā)和使用是最基本的基礎(chǔ)知識之一。通過晶體結(jié)構(gòu)的堆垛實驗可以加深學(xué)生對晶體結(jié)構(gòu)的理解與認(rèn)識。在晶體學(xué)中基本的概念包括空間點陣、晶胞、晶面與晶面指數(shù)、晶向與晶向指數(shù)等。典型的晶體結(jié)構(gòu)有金屬晶體中的面心立方(A1或fcc)、體心立方(A2或bcc)和密排六方(A3或hcp)。面心立方和密排六方結(jié)構(gòu)都是密堆結(jié)構(gòu)。面心立方結(jié)構(gòu)的密排面是{111}，密排方向是{110}，而密排六方結(jié)構(gòu)的密排面是{0001}，密排方向是<1120>。這兩種密堆結(jié)構(gòu)密排面上的原子排列方式完全相同，原子中心的連線構(gòu)成一個個等邊三角形(如圖2a所示)，其中有正立的三角形(如圖2b所示)，也有倒立的三角形(如圖2c所示)。

圖2

面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)按密排面的堆垛次序是截然不同的。面心立方結(jié)構(gòu)是密排面按照ABCABCABC……次序堆垛而成的，如果雙肩與[111010]方向平行，就會看到：第二層(B層)的原子位于第一層(A 層)原子正立的三角形形心的上方，第三層(C層)的原子又位于第二層的原子正立的三角形形心的上方，如此重復(fù)。所有相鄰的兩層密排面，上層原子都位于下層原子正立的三角形形心的上方，構(gòu)成所謂△△△△△△……堆垛。

密排六方結(jié)構(gòu)則是密排面按ABABAB……次序堆垛而成，如果雙肩與[1210]方向平行，就會看到，第二層(B層)的原子位于第一層(A層)原子正立的三角形形心的上方，第三層(A層)的原子又位于第二層(B層)的原子倒立的三角形形心的上方，第四層(B層)的原子又位于第三層(A層)的原子正立的三角形形心的上方，如此重復(fù)，構(gòu)成所謂的△▽△▽△▽……堆垛。

分別在四面體有機玻璃盒和正六棱柱有機玻璃盒中用鋼珠按上述兩種不同的次序堆垛，就會獲得面心立方結(jié)構(gòu)(如圖3所示)和密排六方結(jié)構(gòu)(如圖4所示)。

圖3　面心立方晶體結(jié)構(gòu)堆垛模型

圖4　密排六方晶體結(jié)構(gòu)堆垛模型

面心立方和密排六方晶體結(jié)構(gòu)是典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)，在教學(xué)實驗中按照上述方式進行堆垛較為簡單。對于復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，比如正交、四方、單斜等，則難以按照上述方式進行模擬堆垛。對此，可以使用Materials Studio，CrystalMaker等材料專業(yè)軟件進行模擬。

以滲碳體Fe3C為例進行闡述。滲碳體是鋼鐵中的一種基本相，對鋼鐵材料的性能提高起著相當(dāng)重要的作用，也是材料實驗課程中非常重要的一個基本概念。關(guān)于Fe3C的晶體結(jié)構(gòu)，目前應(yīng)用比較廣泛的是謝希文[8]提出的正交結(jié)構(gòu)。Fe3C的晶體結(jié)構(gòu)為正交點陣，其結(jié)構(gòu)符號為DO11或者OP16，空間群符號為Pbnm/D2h16。Fe3C晶胞中含有16個原子，其中12個鐵原子，4個碳原子。Fe3C晶胞中Fe和C原子序號和位置坐標(biāo)如表1所示。

表1　Fe3C晶胞中Fe和C原子序號和位置坐標(biāo)

CrystalMaker是一款可以創(chuàng)建、顯示和操作各種晶體分子結(jié)構(gòu)的可視化軟件。把Fe3C晶胞的信息導(dǎo)入CrystalMaker，創(chuàng)建的Fe3C晶體結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。使用該軟件還可以進行實時操縱與測量，觀察出色的3D圖片。CrystalMaker軟件還可以連接到SingleCrystal軟件，在SingleCrystal軟件中可以模擬衍射斑點。旋轉(zhuǎn)晶體結(jié)構(gòu)時，衍射圖也會旋轉(zhuǎn)。Fe3C晶體的衍射圖如所示。

圖5　在CystalMaker構(gòu)建的Fe3C晶體結(jié)構(gòu)模型

圖6　Fe3C晶體不同方向的衍射斑點:(a)[001]，(b)[110]

3.3Pb-Sn二元相圖的測定實驗

利用熱分析法進行的Pb-Sn合金轉(zhuǎn)變點的相圖測定與描繪是材料科學(xué)基礎(chǔ)中實驗課程一個重要實驗。方法是首先測定一定成分的Pb-Sn合金的轉(zhuǎn)折點，測量若干組不同成分合金的數(shù)據(jù)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)做出冷卻曲線，即溫度與時間的關(guān)系曲線，而后按曲線上的轉(zhuǎn)折點進行繪制相圖。熱分析法是測定相圖最常用和最簡單的方法，但是存在實驗周期長、誤差大、實驗環(huán)境差等問題。

Thermo-Calc是一個通用靈活的軟件系統(tǒng)(Sundman et al., 1985; 1993; Jansson et al., 1993;Sundman and Shi, 1997, Shi et al., 2004)，可用于計算不同材料中各種熱力學(xué)性質(zhì)(不僅僅包括溫度、壓力和成分的影響，而且涵蓋磁性貢獻、化學(xué)/磁性有序、晶體結(jié)構(gòu)/缺陷、表面張力、非晶形成、彈性變形、塑性變形、靜電態(tài)、電勢等信息)、熱力學(xué)平衡、局部平衡、化學(xué)驅(qū)動力(熱力學(xué)因子)和各類穩(wěn)定/亞穩(wěn)相圖和多類型材料多組元體系的性質(zhì)圖。它可以有效地處理非常復(fù)雜的多組元多相體系，這一體系最多可含40種元素、1 000種組元和許多不同的固溶體以及化學(xué)計量相。其中還包含了強大的工具可以計算其他各種不同類型的圖表，例如CVD/PVD、沉積、有序-無序現(xiàn)象的CVM計算、Scheil-Gulliver 凝固模擬(可以處理間隙元素的背擴散)、液相面投影圖、優(yōu)勢區(qū)域圖、Ellingham 圖、配分系數(shù)、氣體中的分壓等。Thermo-Calc是僅有的可以計算一體系中最多含有5個獨立變量的任意截面的相圖的軟件，也是唯一可以計算化學(xué)驅(qū)動力(熱力學(xué)因子，即Gibbs 自由能對成分的二階導(dǎo)數(shù))的軟件。

使用Thermo-Calc計算的Pb-Sn相圖如圖7a所示。在Thermo-Calc軟件中，可以計算任意質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Pb-Sn合金凝固過程中不同物相的比例變化，任意溫度下吉布斯自由能G和原子活動力隨Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。選取了幾種情況進行計算，其中50%Pb-Sn合金凝固過程中液相L、Pb的固溶體α、Sn的固溶體β的摩爾分?jǐn)?shù)隨溫度的變化曲線如圖7b所示。共晶反應(yīng)溫度183℃(456K)下吉布斯自由能G隨Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線如圖7c所示，原子活動力隨Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線如圖7d所示。學(xué)生在使用Thermo-Calc進行模擬計算的過程中，可以結(jié)合自由能和原子活動力的變化規(guī)律來加深對各種相變反應(yīng)以及相圖的理解，具有效率高、直觀性強、易于理解等優(yōu)點。

圖7　Thermo-Calc的計算結(jié)果

4 結(jié)束語

虛擬仿真技術(shù)在材料實驗教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文重點探討了虛擬仿真技術(shù)在組織觀察與定量分析實驗、Pb-Sn二元相圖測定、晶體結(jié)構(gòu)的堆垛實驗中的應(yīng)用，對未來建設(shè)西安交通大學(xué)材料虛擬仿真實驗中心具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1] 國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要工作小組辦公室.國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年).2010.

[2] 中華人民共和國教育部.教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年).2012.

[3] 中華人民共和國教育部.關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知.2013.

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[5] 閆紀(jì)紅,張奮揚.虛擬可重組制造系統(tǒng)仿真優(yōu)化模塊開發(fā)[J].實驗室研究與探索,2013,32(7):81-86.

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[7] 席生岐.工程材料基礎(chǔ)實驗指導(dǎo)書[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2015.

[8] 謝希文.關(guān)于滲碳體的晶體結(jié)構(gòu)[ J ] .材料科學(xué)與工程,1985(1):44-45.

高職教育園地

Application of Virtual Simulation Technology in Material Science & Engineering Experimental Teaching

Gao Yuan, Xi Shengqi, Sun Qiaoyan, Zheng Qiaoling, GaoYimin
School of Material Science & Engineering, XJTU, State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi'an, 710049, China

Abstract:Virtual simulation experimental teaching is an important part of information construction of higher education. It will help to improve the teaching quality greatly and save the teaching resources. Application of virtual simulation technology in some important experiments is discussed. The experiments are including microstructure observation and quantitative analysis, measurement of Pb-Sn binary phase program, simulation of crystal structure.

Key words:virtual simulationtechnology; material science & engineering; experimental teaching

作者簡介：高圓，碩士，助理工程師。席生岐，博士，教授。孫巧艷，博士，教授。鄭巧玲，碩士，助理工程師。高義民，博士，教授，副院長。

收稿日期：2015-07-30