金屬材料工程專業綜合實驗教學改革與創新

呂曉霞 王淵博 于漫

[摘 要] 金屬材料工程專業本科生的綜合實驗內容和方法對于培養學生金屬材料科學與工程方面的基礎理論和專業知識及實踐技能至關重要。自選實驗課題能有效調動學生參加實驗課的積極性和主動性，更好地滿足學生求知欲。機械零件失效分析納入金屬材料工程專業本科生綜合實驗選題內容，能夠加深學生對專業理論知識的理解，提高學生理論聯系實際，分析和解決實際問題的能力。

[關鍵詞] 材料與工程;綜合實驗;失效分析;教學改革

[作者簡介] 呂曉霞（1963—），女，吉林長春人，學士，吉林大學材料科學與工程學院高級工程師，主要從事實驗教學與研究。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）38-0172-02? ? [收稿日期] 2020-03-11

引言

材料科學與工程人才培養要適合社會的發展需求，不僅具備掌握金屬材料科學與工程專業知識及基本技能。同時還應該具備高綜合素質[1]。實驗教學改革與探索綜合素質對學生素質培養提出了新的高度，實戰派素質、創新能力強，我校是培養機械材料汽車專業高素質人才的重要基地。金屬材料工程專業的綜合實驗教學的目的是培養學生實操能力，使學生掌握創造技法[2]。學生在綜合性實驗中用所學的專業理論知識去分析解決實際問題，提高學生的綜合實驗技能，知道學有所用[3]。同時，通過綜合實驗學生熟練掌握專業實驗儀器設備和使用方法。以往綜合實驗教學初衷不盡齊美，但由于教學內容和形式存在一些問題，教學效果不盡理想。為此，吉林大學金屬材料科學與工程系對綜合實驗進行了教學改革，運行效果比較好，達到了實驗教學改革的初衷。

一、以往綜合實驗存在的問題及原因

實驗內容有些重復，學生無新鮮感。教學形式陳舊，缺少“教”和“學”的互動。假題假作，理論脫離實際，學生無興趣。這些問題影響學生參與實驗主動性和積極性，被動應付，影響了實驗的教學效果。教學是“教”和“學”兩個過程的統一。如果僅有教者積極性，沒有學者接受教者學習的積極性，結果只能是有想法無結果。調動學生參與綜合性實驗的積極性，才能改變教學效果不佳問題。

二、綜合實驗內容和形式改革

1.實驗內容改革。綜合實驗選擇與實際生產相關聯問題，作為實驗項目，可以調動學生積極性，而零件失效原因分析恰恰可滿足學生欲求。失效，是指一個機械零件經過使用，后發生破壞失去了效能，失效分析就是找出零件發生破壞的原因。致使零件失效原因是結構問題、材料選擇、機加、零部件在裝配過程調整等諸多因素[4]，零件由材料制成的，失效原因固然與材料有關，應用所學專業知識找出零件失效原因，選擇失效分析作為綜合實驗選題內容，具有理論和有實際雙層意義。選擇失效零件時，要突出學校和專業特色，兼顧學生未來可能服務行業，使學生感到實驗分析的問題，可能就是將來實際工作中需解決問題，增加學生對實驗的興趣，充分發揮學生主觀能動性的。

2.實驗形式的改革。實驗內容改革，給實驗形式改革創造了機會。零件失效的原因多種多樣，可能是使用、材料、機工多種所造成?？菰锏睦碚搶W習和實際問題聯系起來，學生有一種興奮感，參與就變得主動，對失效件進行觀察分析、討論，實驗教學氛圍十分活躍，教與學完美互動。拓寬了視野，學生創新思維得以發揮。實驗項目內容包括宏觀形貌觀察，成分分析、微觀組織觀察及性能測試。應用專業理論知識將實驗數據有機聯系起來，分析零件失效的原因所在。實驗內容與形式改革為教學改革提供了思路。

三、金屬材料專業綜合實驗選題例舉

筆者所在院校是培養為汽車行業服務技術人才的基地[5]，綜合實驗項目的設置就要符合專業特點，金屬材料專業綜合實驗增加汽車零部件的失效分析實驗項目?？紤]汽車零部件生產工藝較為復雜，一定選擇與材料專業有關的零部件，選擇了汽車后橋齒輪作為分析對象。齒輪工作條件要求，制造齒輪選材加工工藝都比較嚴格，尤其是熱處理工藝。齒輪心部要足夠強度和剛度，齒輪表面要硬度高、耐磨性好。由齒輪的工作狀態使心部和表面有著不同性能要求，齒輪心部性能要求依靠調質熱處理方法，實現表面性能則要表面處理方法，如化學熱處理淬火。制造齒輪工藝過程比較復雜，形成失效原因也多，能夠在復雜問題中找到齒輪的斷裂的原因，通過綜合實驗分析過程，使學生掌握汽車零件性能與熱處理工藝方法關系的重要性。

1.失效樣品的檢驗。金屬材料專業本科生綜合實驗采用以學生小組為單位，學生由興趣選取實驗項目。每小組學生都要去查閱資料，集中選取最佳合理的實驗方案。利用專業制樣室的設備進行樣品制備。樣品制備質量直接關系到實驗結果準確性，需要一個非常嚴格的制樣流程。測試樣取樣時溫度不能過高，觀察斷口的樣品，斷口不能被污染，然后分別進行斷口觀察分析、化學成分、組織觀察和硬度測試。

斷口形貌觀察是零件斷裂失效分析不可缺少的一個過程。了解掌握斷口輪廓線、表面粗糙程度和塑性變形等特征，為推斷斷裂所服役過程提供依據，查找零件失效原因。宏觀觀察失效件斷口形貌，由失效齒輪形貌可見斷口平齊，且周圍無明顯塑性變形，由斷口的宏觀特征，可以初步推斷失效齒輪斷裂形式屬于脆性斷裂，脆性斷裂又與齒輪金相組織有關。

齒輪材料化學成分分析是斷裂原因分析中的一個基本過程，化學成分決定零件性能同時是確定熱處理工藝的根據。由齒輪成分分析結果，可知齒輪使用材料為40CrNiMo中碳低合金高強度鋼，熱處理工藝應是先調質得到索氏體或屈氏體，達到心部高韌性的要求，然后再進行表面淬火獲得馬氏體，達到表面硬度高要求。根據齒輪材料成分正確選擇熱處理方式方法。

金屬材料組織與力學性能有密切關系，組織是材料力學行為表現的原因，斷裂是材料力學行為表現的形式，組織觀察，就是建立材料組織與斷裂關系。金相組織觀察找到材料基體組織晶粒大小、第二相（包括夾雜物）在基體組織分布、大小和形態對性能的影響規律。讓學生掌握金相樣品制備方法以及組織特征，掌握評價組織的基本原則、以及國家標準對相應組織的要求。根據零件性能要求，正確制定熱處理工藝。由被檢齒輪材料中組織觀察結果，被檢齒輪表面硬度取決于為馬氏體組織，硬度為58HRC，表面組織和硬度與國家標準相應規定比對，符合標準要求，但齒輪心部組織和硬度（58HRC）超出國家標準要求。

2.失效原因分析。金屬失效分析就是分析金屬材料或零件在使用過程中失效的原因及可能發生的結果，并給出合理建議及措施。根據經驗、國標綜合加以分析判斷，從實驗結果篩查與經驗、國標不符合項，不符合項就是失效產生的原因。由實驗結果齒輪斷裂與成分、表面組織及硬度均合格，所分析失效齒輪心部組織及硬度是不符合要求，造成齒輪斷裂的原因就是心部組織，馬氏體硬度高和脆性大，降低心部韌性，從而在齒輪使用時發生脆性斷裂，形成脆性斷口。齒輪組織是造成齒輪斷裂直接原因，而心部馬氏體組織是由于表面淬火加熱時間過長，淬火冷卻時使整個齒被淬透，整個齒被淬透是造成齒輪斷裂的根本原因。通過齒輪斷裂失效原因分析，使學生進一步認識材料成分、組織和性能關系;金屬組織、性能與熱處理的關系，熱處理是實現零件性能要求的重要手段。

四、結束語

零件失效分析作為綜合實驗選題內容，增加了內容的趣味性，提高了學生參與度;零件檢測實驗中學生掌握儀器設備功能、操作規范，提高學生的實操能力。分析零件斷裂原因過程中學會了由表及里分析問題思維方法，提高學生理論聯系實際、分析和解決實際問題的能力，加深了學生對材料成分、組織和性能之間關系。掌握通過熱處理去改善組織和性能有效方法，堅定了學生學習金屬材料的信念和決心。失效分析作為綜合實驗的選題內容，收到較好教學效果，得到學校和學生肯定，綜合實驗改革項目獲得學校實驗技術成果獎勵。

參考文獻

[1]李俊峰，邱克輝，林金輝，等.材料科學與工程專業綜合實驗教學的實踐與思考[J].成都理工大學學報（社會科學版），2010，18（2）.

[2]董欣.創新型人才培養與實驗教學改革探討[J].實驗技術與管理，2011，28（9）：142-144.

[3]熊博文，萬紅，龍文元，等.金屬材料工程專業綜合性實驗教學改革的研究[J].實驗室科學，2007（6）：53-54.

[4]束德林.工程材料力學性能[M].北京：機械工業出版社（第2版），2007.

[5]安健，王淵博，李建忱.工程材料課程實驗教學改革和探索研究[J].中國現代教育設備，2019（323）.

Comprehensive Experiment Teaching Reform and Innovation in Metal Material Engineering Specialty

L?Xiao-xia，WANG Yuan-bo，YU Man

（Department of Materials Science and Engineering，Jilin University，Changchun，Jilin 130025，China）

Abstract：The contents and methods of comprehensive experiments for undergraduate in metal material engineering are very important aspects for developing students' fundamental theory，professional knowledge and practical skills in metal materials science and engineering.Self-selected experiment topics can effectively mobilize students' enthusiasm and initiative to participate in experiment classes，and better satisfy students' thirst for knowledge.The introduction of failure analysis of mechanical parts into the comprehensive experiment topic selection of undergraduates majoring in metal materials engineering can enhance students' understanding of professional knowledge，improve their ability to link theory with practice，and their ability to analyze and solve practical problems.

Key words：materials and engineering;comprehensive experiment;failure analysis;teaching reform