機械工程材料課程教學中的哲學思想與應用

孫小剛 張世免

摘 要：為增強學習興趣和學習效果，促進思維發展，將機械工程材料課程內容和其中所包含的哲學思想相結合，分別從物質觀、對立統一、量變質變、普遍性和特殊性、主次矛盾、實踐觀等方面分析了課程內容與哲學觀點的滲透與融合，從而促使學生課程內容的掌握，科學思維方法的培養。

關鍵詞：機械工程材料；哲學思想；教學改革；教學實踐

《機械工程材料》是機械類和近機類大學生的一門很重要的專業基礎課，也是是一門理論性和實踐性都很強的課程。該課程學習效果的好壞，直接影響到后續學習的專業課程的理論學習、課程設計以及畢業論文（設計）等實踐環節。由于該課程內容廣泛抽象，概念原理多，系統性強，學生的積極性不高，學習效果欠佳。為此，很多學者針對機械工程材料的教學提出了諸如翻轉課堂、結合工程認證等等教學方法的改革和實踐研究，本人在機械工程材料的教學中有意識地將哲學思想引入具體教學內容中，不僅增強了學生的學習興趣和學習效果，而且培養了他們分析問題、解決問題的能力。

1 世界是物質的

辯證唯物主義認為世界在本質上是物質的。恩格斯說：“世界的真正的統一性是在于它的物質性”。（《反杜林論》，《馬克思恩格斯選集》第三卷，第83頁）在緒論中我們要講人類文明發展的劃分就是以材料的發展和應用，分別分為石器時代、青銅時代、鐵器時代、新材料時代。21世紀現代文明的三大支柱就是材料、能源、信息。機械工程材料就是講述常用的工程材料（包括金屬材料、高分子材料、無機非金屬材料）的成分、組織、性能的有機辯證關系，掌握他們的基本原理，基本規律，以便更好的選擇材料，加工材料，也進一步的使我們認識世界、改造世界。

2 對立統一關系

在機械工程材料學習過程中，成分、組織結構、性能的本質與現象的辯證對立統一關系貫穿始終：成分和組織結構決定材料的性能。材料的成分和組織是材料的內在本質特征，材料的性能時材料的表現、現象。同樣的成分，組織不同，性能不同，如石墨和金剛石，成分都是碳元素，但是石墨六邊形層狀結構，金剛石是金剛石立方晶體結構，它們之間的強度天壤之別。相似的組織，不同的成分，性能也有很大的差異，同樣是面心立方結構，純鋁與純鎳的性能截然不同。厘清了成分、組織和性能的對立統一的關系，將有利于機械工程材料的選材、材料的加工、熱處理，預防產品的事故，分析產品失效的原因。例如鋼的牌號很多的時候就反映了材料的成分，20鋼的碳含量就比45鋼的碳含量少一半，根據0.9%以下含碳量越多碳鋼的硬度、強度越高，韌性和塑性越低的規律，20鋼適合做容器、鍋爐等強度要求不高，變形大的冷沖壓件，45鋼適合做要求綜合力學性能的機械零件。再如通過鋼的熱處理，在不改變材料的成分和形狀的前提下，改變材料的內部組織，從而是材料具有不同的性能，適用于不同的使用場合。

3 量變質變規律

量變質變規律是辯證法的三大規律之一，量變質變規律揭示了事物發展變化形式上具有的特點，從量變開始，質變是量變的終結。例如金屬材料的細晶強化，隨著晶粒的細化，金屬的強度增加，滿足于HallPetch公式，但是隨著納米材料的發現，當晶粒尺寸到達納米維度，會出現反HallPetch公式效應，說明晶粒尺寸這一量變達到一定程度，強度變化發生了質的變化。還是在細化晶粒方面，隨著冷卻速度增加，金屬凝固結晶的晶粒越細，但是當冷卻速度太快，達到該金屬材料的臨界冷卻速度，金屬來不及結晶，就可能會形成準晶或者非晶態。再如鋼的回火溫度越高，則塑性、韌性越高，強度、硬度越低，但實驗發現，若在250℃～350℃及470℃～650℃兩個范圍內回火時，會出現韌性顯著下降的情況。

4 普遍性和特殊性

普遍性與特殊性的關系是共性和個性、一般和個別的關系。從個別可以上升到一般，再用一般來指導個別。例如，理想的金屬晶體結構中是沒有缺陷的，實際金屬的晶體結構存在著不同類型的缺陷，每類缺陷都對晶體的性能產生重大影響，那么我們可以在理想的晶體結構上引入不同類型的缺陷從而來分析實際晶體的組織結構和性能變化。再如金屬的平衡凝固結晶是一種理想狀態，而實際金屬大部分是非平衡凝固結晶，由于非平衡凝固結晶產生的晶內偏析在平衡凝固相圖的基礎上進行推導和分析。又如實際金屬大多數是多晶體，單晶金屬是個別的，少數的，但是多晶體的塑性變形是建立在單晶體塑性變形的基礎上的，也就是多晶體中每個晶粒的塑性變形仍然以滑移或孿生的方式進行。

5 主要矛盾和次要矛盾

主要矛盾和次要矛盾相互依賴、相互影響，并在一定條件下相互轉化。在教學中應當引導學生區分主次、有所取舍、全面看問題。例如鑄鐵中石墨的形態和基體的性能都對力學性能產生很大的影響，對灰口鑄鐵來說，主要矛盾是片狀石墨產生了大的應力集中、基體縮減作用和割裂作用，基體組織再怎么變化也對鑄鐵的力學性能收效甚微。當片狀石墨變為球狀時，矛盾的主要方面發生了變化，基體組織和性能成為了決定性的主導因素，基體作用得到較大的發揮。再如金屬熱處理改變材料性能主要有兩個目的：一是改善工藝性能，便于加工制造；二是提高強度，改善使用性能。因此，如果是預先熱處理，工藝性能是主要矛盾，那常常選擇便于切削加工的退火、正火熱處理；如果材料的使用性能要求高，那么最終熱處理常常選擇整體淬火、回火（低溫、中溫）、調質、表面熱處理等等。

6 實踐的觀點

實踐的觀點是辯證唯物主義認識論的第一的和基本的觀點。認識來源于實踐，又轉過來為實踐服務。實踐是檢驗真理的唯一標準。例如按照傳統的設計思路，只要零件的工作應力小于材料的許用應力，則認為零件是安全的。然而，事實并非如此，實際生產中發生過很多零件在遠低于材料許用應力情況下破壞的案例。這是因為實際生產中的材料內部組織不像傳統觀念中的均勻、連續、各向同性，而是存在著夾雜、微裂紋、孔洞等缺陷，而這些類似與裂紋的缺陷在應力的作用下，容易擴展，從而發生低應力脆性斷裂，因此引入了材料的斷裂韌度來作為零件的安全設計。又如熱處理是機械零件和工具制造過程中的重要工序，適當的熱處理，可以改善材料的使用性能和工藝性能。鋼的熱處理是建立在FeFe3C相圖的基礎上的，但是實際生產中加熱和冷卻速度較快，因此加熱及冷卻過程中相變溫度就會偏離平衡條件（極其緩慢加熱或冷卻）FeFe3C相圖的相變冷卻溫度。以鋼的退火為例，這個偏離溫度，就來自于多年的生產經驗，如完全退火，就加熱到高于平衡條件下的臨界溫度30℃～50℃，球化退火就高于20℃～30℃，等溫退火就是將奧氏體化后的鋼快冷至稍低于A1溫度（臨界溫度）。機械工程材料這門課程是一門實踐性很強的課程，這種從大量的生產實踐歸納出來的概念、原理、公式還有很多，需要同學們仔細體會，認真掌握。

7 結語

《機械工程材料》中蘊含著豐富的自然辨證法的哲學思想，在教學過程中提煉哲學思想，歸納總結辨證唯物觀，不僅有利于學生掌握機械工程材料的理論知識和實踐案例，而且培養了學生分析問題、解決問題的能力，幫助他們形成科學的思維方法、正確的世界觀。

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基金項目：2015年湖南工程學院青年科研重點項目

作者簡介：孫小剛（1978），男，湖南岳陽人，博士，主要從事金屬材料方面的教學和科研工作。