材料成型及控制工程專業課程實驗設計與實踐

——以《熱處理原理及工藝》課程為例

吳海江，鄒利華，王小明，郭文敏，曾娣平

(邵陽學院 機械與能源工程系，湖南 邵陽 422000)

材料成型及控制工程專業課程實驗設計與實踐

——以《熱處理原理及工藝》課程為例

吳海江，鄒利華，王小明，郭文敏，曾娣平

(邵陽學院 機械與能源工程系，湖南 邵陽 422000)

課程實驗作為實踐教學環節的重要組成部分，在培養大學生的主觀能動性和創新性方面具有不可或缺的作用。基于金屬材料的組織、結構與性質之間的關系為核心內容，設計了本實驗。采用金相顯微鏡技術，探討了鋅浴中添加的Mn含量和熱浸鍍時間對低碳鋼熱鍍鋅合金層厚度的影響。結果顯示：當Mn含量達到0.5w t%、熱浸鍍時間為5m in時，鍍層獲得最佳的減薄效果。教學實踐表明，該設計性課程實驗提高了學生發現問題、分析問題及解決問題的能力，有利于培養學生的創新意識和工程實踐能力。

材料成型及控制工程專業；課程實驗；創新；熱鍍鋅；鍍層組織

邵陽學院作為一所省屬多科性地方本科院校，一直致力于培養實踐能力強、具有創新意識的應用型高級工程技術人才，為地方經濟建設和社會發展服務。材料成型及控制工程專業是機械工程與材料工程的交叉學科，具有較強的實踐性，實驗課程作為實踐教學環節的重要組成部分，在培養大學生的主觀能動性和創新性方面具有不可或缺的作用。

《熱處理原理及工藝》是材料成型及控制工程專業的學科基礎課程，是本專業其他多門課程的基礎，具有典型的理論聯系實際特性。原有實驗教學模式主要偏向于演示性和驗證性實驗，而設計性和綜合性實驗很少。尤其是隨著專業的調整和教學計劃的不斷壓縮，實驗教學作為該課程重要的教學環節面臨著重大挑戰。因此，對熱處理原理及工藝課程實驗教學模式進行改革，以培養具有創新意識和工程實踐能力的應用型高級人才。

1 實驗設計思路

原有的實驗教學模式，學生只能在教師教學計劃安排的某一時間到實驗室進行實驗，完成實驗指導書上明確規定的任務，得到早已估計到的實驗結果。這樣的實驗教學模式雖然對理論教學可以起到一定的補充作用，但卻禁錮了學生的思維，抑制了學生主動思考、積極動手做實驗的興趣，不利于培養出工程實踐能力強、具有良好創新意識的應用型高級工程技術人才。

從以上角度考慮，在制訂熱處理原理及工藝課程實驗教學內容時，筆者以金屬材料的組織、結構與性質之間的關系為核心內容，減少驗證性和演示性實驗，開設綜合性和設計性實驗，以提高學生分析問題、解決實際問題的能力，提高學生的獨立思考與創新能力。例如，依據講到的化學熱處理知識點，確定了《合金元素和熱浸鍍工藝對低碳鋼熱鍍鋅合金層厚度的影響》的實驗項目。實驗時指導教師只是提出實驗總綱，下達實驗任務書，對實驗內容不作具體規定。首先學生自由組成4～5人的實驗小組，選出小組長，由學生根據所學課程專業知識，通過查閱資料文獻，自行設計實驗方案，提出所需實驗儀器設備，呈送給指導教師審閱、修改和確認；學生準備好實驗材料后，自主聯系實驗室預約做實驗，實驗室實行開放式管理，學生只要在特定的時間段內完成實驗就可以，這樣提高了實驗的質量，保證了實驗的效果；最后，每位學生要對實驗數據進行綜合分析，撰寫詳實的實驗報告，必要時需進行答辯。實驗指導教師在整個實驗過程中，要堅持以學生為主體，只要實驗安全沒問題，對學生的設計方案和實驗過程就不要過多去干涉，千萬要注意保護好學生的實驗熱情和興趣。

2 實驗內容與實驗方法

熱鍍鋅合金化鋼板具有良好的耐蝕性、涂裝性及焊接性而被廣泛地應用于汽車、建筑和家電等行業。在熱鍍鋅鍍層中添加適量的錳是有效提高鍍層性能的手段之一，而其性能是由鍍層的組織結構特性決定的。基于此，本實驗探討了Mn含量和熱浸鍍時間對低碳鋼熱鍍鋅合金層厚度的影響。

實驗采用99.995wt%純鋅錠和化學純級錳片，以Zn-2.5wt%Mn中間合金的形式熔入純鋅浴中配制成含Mn量0.1～0.7wt%的Zn-Mn合金鍍浴。所用低碳鋼板化學成分及質量分數為：C 0.17%、Si 0.04%、P 0.010%、S 0.005%、Fe余量。試樣加工成40mm×30mm×3mm大小，然后用砂紙打磨平整，再經熱堿浴除油→熱水沖洗→酸洗除銹→冷水沖洗→助鍍劑助鍍→烘干。熱鍍鋅及鋅錳合金浸鍍溫度為450℃，浸鍍時間為1～10min。應用XJL-02A型金相顯微鏡觀察鍍層的顯微組織，同時使用帶有刻度的目鏡，對鍍層的各合金相層的厚度進行測量。

3 實驗結果與分析

鋅浴中添加不同含量的Mn后，熱浸鍍鋅錳合金鍍層自鋼基體向鍍層表面依次都是由極薄Γ相、δ1相、ζ相和自由鋅層η相組成。圖1所示的是熱浸鍍鋅及鋅錳合金鍍層中合金相層的總厚度與熱浸時間的關系。從圖1中可以看出，鋅浴加錳能不同程度地降低合金相層的厚度，但降低的幅度較小。當鋅浴中含錳量≤0.5wt%時，隨著鋅浴中錳含量的增加，合金相層厚度逐步減薄。其中短時間內（≤5min），減薄效果較為明顯；隨著浸鍍時間的延長，鍍層減薄效果變差。可能的原因是，錳原子在ζ相中是以置換鐵原子的形式存在的。ζ相中的錳含量越高，則錳原子占據鐵原子的位置越多，從而起到了減緩ζ相向液相生長的作用。與此同時，從鋼基擴散出來的鐵原子將促進δ1相的形成和生長，使得δ1相層變厚。隨著熱浸時間的延長，在鐵基表面形成富含鐵的Γ相層，而Γ相的形成進一步阻礙了鐵鋅擴散，所以整個鍍層的生長速度變得非常緩慢。

圖1 熱浸鋅及鋅錳合金鍍層中合金相層厚度與熱浸時間的關系

4 結語

本實驗探討了鋅浴中添加的Mn含量和熱浸鍍時間對低碳鋼熱鍍鋅合金層厚度的影響。隨著Mn含量和熱浸鍍時間的增加，合金相層厚度先減薄后增厚；當鋅浴中Mn的添加量達到0.5wt%、熱浸鍍時間為5min時，鍍層獲得最佳的減薄效果。通過本課程實驗的教學實踐過程表明，因為每個實驗小組的實驗內容不同，即使本小組內部由于要求每個人都要親自動手，所以從主觀和客觀上最大程度地杜絕了學生做實驗的偷懶現象。學生通過自己查閱中英文文獻，獨立設計并提出實驗方案，分析評價實驗數據，獨立地操作實驗儀器設備等實驗環節的鍛煉，鞏固了所學的專業知識和拓寬了專業視野。最終激發了學生做實驗的興趣和熱情，增強了學生的專業歸屬感，培養了學生的創新思維能力和工程實踐能力，提高了學生發現問題、分析問題及解決問題的能力，符合邵陽學院培養實踐能力強、具有創新意識的應用型高級工程技術人才的目標。

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Design and Practice of Course Experiment of M aterial Form ing and Control Engineering Speciality——Taking Princip le and Technology of Heat Treatm ent Course as an Exam ple

WU Hai-jiang，ZOU Li-hua，WANG Xiao-m ing，GUO Wen-m in，ZENG Di-ping
（Department of Mechanical and Energy Engineering，Shaoyang University，Shaoyang，Hunan 422000，China）

As an important partof practical teaching，the course experiment played an indispensable role in cultivation of college students'subjective initiative and innovation.This experiment was designed based on the relationship between the structureand propertiesofmetalmaterials.TheeffectsofMn contentin zinc bath and hotdipping timeon the thicknessofhotdip galvanized alloy layer on low carbon steelwere investigated based on opticalmicroscope.The results showed that the optimal effect of reducing thin of coating was obtained when the Mn content reached 0.5wt%and hot dipping time was up to 5min. Teaching practice revealed that this designing course experiment improved the ability of the students to discover problems，analyze problems and solve problems.Thiswould be in favor of the cultivation of the students'innovative consciousness and engineering practice ability.

material forming and controlengineering speciality；course experiment;innovation；hot-dip galvanizing；coating microstructure

G642

A

2095-980X(2016)08-0090-02

2016-07-17

邵陽學院教學改革研究項目（2015JG20）；邵陽學院精品開放課程建設項目（邵院教通［2016］4號）

吳海江（1975-），男，安徽淮南人，博士，副教授，主要從事材料專業的教學與研究工作。