以鐵碳合金為主線的金屬學(xué)與熱處理課程教學(xué)探討

朱守琴 王玉勤 陳宇

摘要：基于金屬學(xué)與熱處理課程的性質(zhì)及特點(diǎn)，文章在理論教學(xué)方面對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了合理的模塊化歸納，注重了專業(yè)課間的聯(lián)系;在實(shí)踐教學(xué)方面，以鐵碳合金金相試樣的制作與組織觀察為核心，將驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)與綜合型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了合理的搭配。文章通過對理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探討，提出了以鐵碳相圖為主線、成型為背景的教學(xué)思路。

關(guān)鍵詞：金屬學(xué)與熱處理;鐵碳相圖;教學(xué)思路

一、引言

金屬學(xué)與熱處理是面向冶金及熱加工類專業(yè)開設(shè)的基礎(chǔ)專業(yè)課，也是面向材料類專業(yè)開設(shè)的核心專業(yè)課，是工科學(xué)生從事專業(yè)工作的必學(xué)課程之一。本課程抽象概念多，例如：晶格、柏氏矢量和變態(tài)萊氏體等。同時(shí)，課程內(nèi)容也相對多，涉及面較廣，包括金屬學(xué)、塑性變形和熱處理等內(nèi)容。以本校為例，在學(xué)習(xí)本課程之前或者同時(shí)要學(xué)的課程有畫法幾何、大學(xué)物理、材料力學(xué)等，而這門課的后續(xù)專業(yè)課又有材料成型原理、塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)、鑄造工藝學(xué)等，本校的定位是培養(yǎng)地方應(yīng)用型人才，因此這門課程的名稱是工程材料及金屬工藝學(xué)，注重的是工程材料的應(yīng)用，而鐵碳合金是工程材料的主要組成部分。因此，可以說學(xué)好鐵碳合金是學(xué)好工程材料及金屬工藝學(xué)的關(guān)鍵，是掌握大部分工程材料性能的基礎(chǔ)。性能包括使用性能和工藝性能兩方面，鐵碳合金的性能具有一定的規(guī)律性。本課程中的鐵碳合金及鐵碳相圖的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作能夠讓學(xué)生理解材料科學(xué)研究的四要素（性能、組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、加工工藝）及相互之間的關(guān)系，即組織結(jié)構(gòu)決定性能，而化學(xué)成分和加工工藝決定組織結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

二、理論教學(xué)

根據(jù)這門課程前后的內(nèi)容分布的關(guān)系，現(xiàn)將金屬學(xué)與熱處理這門課分為兩個(gè)部分，具體內(nèi)容如圖1、圖2所示。從圖中可以看出鐵碳合金可以作為金屬學(xué)與熱處理這門課理論知識(shí)的應(yīng)用，也能反過來通過鐵碳相圖來解釋和說明這門課的理論知識(shí)。鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的重要工具，鐵碳合金是應(yīng)用廣泛的工程材料，因此學(xué)好鐵碳相圖是從事各類加工和熱處理工作的基礎(chǔ)。

根據(jù)我校的辦學(xué)定位目標(biāo)——地方應(yīng)用型高校，滿足“厚基礎(chǔ)，寬口徑，高素質(zhì)、強(qiáng)應(yīng)用”的專業(yè)要求，結(jié)合我校材料成型及控制工程的專業(yè)培養(yǎng)方案，工程材料及金屬工藝學(xué)這門課總共54課時(shí)，理論42課時(shí)，實(shí)驗(yàn)課12課時(shí)，由于這門課內(nèi)容多，為了達(dá)到預(yù)期的效果，教學(xué)必須要做到重點(diǎn)突出，難點(diǎn)選學(xué)。由于這門課的概念抽象需要用具體的實(shí)例來講解，而鐵碳合金是最常見的工程材料，所以整個(gè)課程以鐵碳合金為主線。理論課時(shí)具體按下面表1安排。

其中重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)是：第一，典型金屬的晶體結(jié)構(gòu);第二，晶體缺陷;第三，金屬結(jié)晶條件及晶核長大規(guī)律;第四，二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶;第五，鐵碳相圖分析及應(yīng)用;第六，塑性變形及再結(jié)晶;第七，鋼的熱處理原理。難點(diǎn)是：第一，典型金屬晶體結(jié)構(gòu)及相關(guān)計(jì)算;第二，二元相圖的表示方法和分析方法;第三，鐵碳相圖點(diǎn)線區(qū)的意義、平衡結(jié)晶過程及其靈活應(yīng)用;第四，塑性變形機(jī)理及再結(jié)晶機(jī)制;第五，鋼的熱處理原理。對于重難點(diǎn)的講解多運(yùn)用實(shí)際例子，也要與前后內(nèi)容聯(lián)系。例如，位錯(cuò)的講解，位錯(cuò)作為線缺陷，是晶體結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)，也要與金屬的塑性變形相互聯(lián)系，在講解時(shí)要注意講解位錯(cuò)作為一種晶體缺陷，是理想晶體結(jié)構(gòu)的缺陷，但是在實(shí)際應(yīng)用中，位錯(cuò)會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)強(qiáng)化，對工程材料的強(qiáng)化起到了重要的作用。這樣學(xué)生更能將前后內(nèi)容融會(huì)貫通，并且能將理論知識(shí)與實(shí)際的工程材料聯(lián)系起來。

三、實(shí)踐教學(xué)

本課程是專業(yè)課，必須通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證理論，通過實(shí)踐來加深認(rèn)識(shí)，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本課程重要的教學(xué)環(huán)節(jié)之一，占有極其重要的地位，是理論聯(lián)系實(shí)際的重要手段，也是學(xué)生掌握抽象理論的不可或缺的方法。本課程試驗(yàn)是12個(gè)課時(shí)，安排三個(gè)驗(yàn)證型試驗(yàn)和三個(gè)綜合型試驗(yàn)，具體的實(shí)驗(yàn)安排及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容見表2所示。

實(shí)驗(yàn)一是硬度測量實(shí)驗(yàn)，用兩種不同的方法測量試樣的硬度，目的是了解硬度測定的基本原理及應(yīng)用范圍，熟悉布氏、洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及操作方法，驗(yàn)證理論課中硬度的概念，主要的實(shí)驗(yàn)器材如圖3的a、d所示。實(shí)驗(yàn)二是金相顯微鏡的使用實(shí)驗(yàn)，目的是掌握光學(xué)顯微鏡的構(gòu)造和實(shí)際操作方法，為日后觀察金相試樣打好基礎(chǔ)，即為實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)四做好準(zhǔn)備，具體的實(shí)驗(yàn)器材如圖3的b所示。實(shí)驗(yàn)三是金相試樣的制備實(shí)驗(yàn)，目的是了解制備金相試樣常用的設(shè)備、工具，初步掌握金相試樣的制備過程和方法，具體的實(shí)驗(yàn)器材如圖3的b、c所示，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是分析材料的基礎(chǔ)操作，為材料的分析打下基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)四是鐵碳合金平衡組織觀察，目的是讓學(xué)生了解鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的顯微組織，分析成分對鐵碳合金顯微組織的影響，從而理解成分、組織與性能之間的相互關(guān)系，主要的實(shí)驗(yàn)器材如圖3的b所示。實(shí)驗(yàn)五是低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)，目的是測定碳鋼的屈服極限σs、強(qiáng)度極限σb、延伸率δ、斷面收縮率ψ，觀察拉伸過程中的各種現(xiàn)象，自動(dòng)生成并打印拉伸圖（P-△L曲線）。主要的實(shí)驗(yàn)器材如圖3的f所示。實(shí)驗(yàn)六是熱處理實(shí)驗(yàn)，目的是了解碳鋼熱處理操作，試退火、正火和淬火等熱處理前后45號(hào)鋼的硬度，觀察退火、正火和淬火等熱處理前后45號(hào)鋼的相和組織，推測相與硬度之前的關(guān)系，主要的實(shí)驗(yàn)器材如圖3的e、a、b所示。

四、結(jié)論

金屬學(xué)與熱處理作為專業(yè)課，內(nèi)容繁雜、概念抽象，但實(shí)用性很強(qiáng)，學(xué)好這門課必須立足理論知識(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，才能融匯貫通。文章結(jié)合金屬學(xué)與熱處理的課程地位，將教學(xué)分為理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)，以鐵碳合金為主線，讓理論知識(shí)深入淺出。