基于創新項目探索應用型人才培養模式

吳 騰，吳 潤

（武漢科技大學材料與冶金學院，武漢 430081）

0 引言

高校辦學治校的首要問題是回答好“培養什么樣的人、如何培養人、為誰培養人”。這是辦好中國特色社會主義大學的關鍵所在，是新時代高教思想給高校實驗室管理體系建設提出的新內涵與新要求［1］。我校是一所以鋼鐵冶金為特色高校，金屬材料工程專業又貼合社會實踐和工程應用，提出以社會需求為導向，培養思想素質高、基礎扎實、知識面廣、富有實踐能力和創新創業精神的材料工程領域的高素質應用型人才。面對世界各國都在加大新材料和新能源等領域技術研發和突破，我國制造業也面臨轉型升級，并適時提出了“中國制造2025”發展戰略［2］和“新工科”建設［3］。為了應對新形勢下發展需求，將先進的前沿科研成果轉化為本科實驗教學資源［4-5］，對培養具備實踐創新能力和國際競爭力的工程應用人才具有重要意義。

材料力學性能和材料科學基礎課程是材料類相關專業學生必修的專業基礎課，傳統的相關實驗課內容較單一，主要是掌握實驗原理和操作方法，不利于激發和培養學生的創新思維和探究能力［6-7］。我校通過改革傳統教學模式和教學方法，在課程教學中引進汽車用先進熱軋雙相鋼的介紹及研究進展，構建以問題、項目為導向的教學模式，鼓勵學生參與多種形式的研究性學習，注重培養學生的創新意識和創業精神［8-9］。我校在與某鋼鐵企業合作的同時，在實驗教學中引入不同級別的雙相鋼板，學生基于材料力學性能和材料科學基礎相關理論及實驗原理和實驗室現有設備去判別所給兩種雙相鋼的級別，使本科教學涉入工程實踐前沿內容以提高其研究探索和工程應用能力。

1 實驗材料及方法

雙相鋼作為先進高強鋼具有高的強度、均勻伸長率、初始加工硬化率和低的屈強比等優點，廣泛用于車身結構件、車輪、剎車盤和車架等。高強度熱軋雙相鋼的開發研制不僅具有可觀的經濟效益，而且可實現節能減排和汽車的輕量化，符合“十三五”規劃的發展綱要，具有廣闊的應用前景和顯著社會經濟效益。實驗項目取材于校企合作制備的汽車用熱軋雙相鋼，板厚5.0 mm，待測的兩種雙相鋼牌號分別為DP600 和DP1200。學生5 人1 組，每組兩塊實驗用鋼，分別編號為1＃和2＃，利用所學的理論知識和實踐操作技能依托湖北省材料學實驗示范中心和耐火材料與冶金國家重點實驗室對待測實驗鋼強度級別進行判別。經過近3 年的實驗研究發現，學生研究所使用的實驗方法集中在拉伸試驗、微觀組織觀察、硬度測試和沖擊試驗。

2 實驗結果與討論

2.1 拉伸性能及加工硬化率

按GB／T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》沿板軋向切取板狀拉伸試樣，標距為50 mm，寬度為12.5 mm，在WAW-500C 型液壓式萬能材料試驗機上進行拉伸試驗，測量其拉伸性能及加工硬化率（n值）。實驗鋼板經室溫拉伸后得到的工程應力應變曲線如圖1 所示。

圖1 實驗鋼工程應力應變曲線圖

又根據國標對強度修約至1 MPa、伸長率修約至0.5%可得相應的拉伸性能和n 值如表1 所示。1＃試樣的抗拉強度為620 MPa，屬于DP600；2＃試樣的抗拉強度為1 273 MPa，屬于DP1200。由圖1 可見兩種實驗鋼得到的拉伸曲線為連續屈服，且初始加工硬化率均較高，這是由雙相鋼的組織組成決定的。熱軋雙相鋼首先在兩相區等溫弛豫析出鐵素體，再快冷至Ms點以下相變得到馬氏體，馬氏體相變膨脹會擠壓周圍的鐵素體產生大量的可動位錯，從而均可以得到連續屈服和高的初始加工硬化率的實驗鋼板。通過拉伸實驗可以判別出兩塊實驗鋼板的強度級別，但還沒有搞清楚其他一些參數存在較大差異的原因，如果淺嘗輒止，是不利于創造性思維和探究能力的培養，在實驗教學中可引導學生發揮主觀能動性，克服困難，這樣也有利于加深理論知識的理解與應用。因此，學生想從微觀的組織結構去做進一步的探索。

表1 實驗鋼拉伸實驗結果

2.2 顯微組織觀察及斷口形貌分析

為了探討不同強度級別雙相鋼的組織組成機理及其對材料拉伸性能的影響，部分學生采用了掃描電子顯微鏡對實驗鋼的表面形貌和斷口形貌進行了微觀觀察。從鋼板上用線切割切取10 mm ×15 mm 的試樣，將樣品經粗磨—細磨—拋光—侵蝕，侵蝕液為4%硝酸酒精溶液，侵蝕時間為10 s。圖2（a）所示是1＃試樣5 000 倍下得到的照片，馬氏體有長條和小塊狀，邊界平直而清晰，體積分數約18.7%，鐵素體內無碳化物等析出物。圖2（b）所示是2＃試樣5 000 倍下得到的照片，馬氏體體積分數約為76.8%，以大塊狀和長條馬氏體為主。由于馬氏體是碳在鐵素體中過飽和的固溶體，其強度也遠高于鐵素體，2＃試樣的馬氏體較多，其抗拉強度也較高，故也可以通過顯微組織對其強度進行判別，其鐵素體較少且內部有碳化物析出，故其屈服強度較1＃試樣要高，而鐵素體承擔了大部分的塑性變形，導致其伸長率也較低為13.0%。2＃試樣中較多的大塊狀馬氏體降低了馬氏體與鐵素體的有效接觸面積，使其n 值也相對較低為0.12。圖2（c）所示是1＃實驗鋼拉伸后的斷口形貌，內部有較多的韌窩，韌窩邊部有白亮區，是由于高應變塑性變形并與拉伸軸呈45°的剪切應變產生，是典型的微孔聚集斷裂，說明該實驗鋼的塑韌性較好。而2＃實驗鋼中也有韌窩［見圖2（d）］，其韌窩較1＃試樣少且淺，說明該實驗鋼具有一定的塑韌性，但是較1＃試樣的要差，其伸長率和n 值也相對較低。拉伸實驗和金相觀察得到的結論是一致的且相互印證，但其操作過程較為復雜，特別是金相制樣需要多道工序去耐心和細心的完成。

圖2 實驗鋼的掃描電鏡照片

2.3 硬度測試分析

實驗鋼是高強度熱軋雙相鋼，雖然均是由馬氏體和鐵素體組成，但其體積分數不一樣，得到的力學性能也不一樣。硬度是材料抵抗另一種較硬物體壓入表面的抗力，故硬度和強度具有相關性。而硬度通過壓入深度反應硬度的大小，壓入深度越大，硬度越小，強度也越低；壓入深度越小，硬度越大，強度也越大。硬度測試是在洛氏硬度計HR-150A 上進行，加載力為1.5 kN，壓頭為金剛石壓頭，其操作簡便，可直接通過表盤讀數得到硬度值。由于洛氏硬度的壓痕較小，需對試樣打多個點取平均值。按照GB／T 230.1—2009《金屬材料洛氏硬度試驗第1 部分：試驗方法》進行預加載荷、加主載荷、緩慢卸載等操作，最后從表盤讀數，保留一位小數。得到1＃試樣的平均硬度為34.1 HRC，2＃試樣的平均硬度為56.4 HRC。由于含碳量的不同，馬氏體硬度＞鐵素體硬度，故可根據硬度測試判別1＃為DP600 及2＃為DP1200。

2.4 沖擊測試分析

沖擊試驗是一種高應變速率的動態力學試驗，它將具有一定形狀和尺寸的帶有U 型或V 型缺口的試樣，在沖擊載荷作用下折斷，以測定其沖擊吸收功AK和沖擊韌性值αK的一種試驗方法。由于待測試樣的強度級別相差比較大，DP1200 屬于超高強雙相鋼，其馬氏體含量多，而馬氏體既硬又脆，故其沖擊功也相對較低。沖擊測試是在JB-300 上進行，按照GB／T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》將試樣加工為10 mm×5 mm×55 mm，試樣中部開深2 mm的V型缺口，擺錘量程選用150 J。首先進行空擺試驗，當其沖擊功為0 時，再進行對試樣的沖擊。沖擊測試得到的1＃試樣的沖擊功為54 J，2＃試樣的沖擊功為31 J，故1＃試樣為DP600，2＃試樣為DP1200，這與前述的斷口分析的結果一致，說明1＃比2＃具有更好的沖擊韌性。

3 實施效果

學生在實驗結束后對實驗結果和方法進行了對比和分析，通過查閱文獻對雙相鋼的研究進展有了進一步的了解，DP600 是目前汽車用雙相鋼生產應用的主流，但DP1200 因其超高強度和相對較差的力學性能和成形性能僅停留在實驗研發階段，而汽車用鋼的強度越高越有利于減重，從而達到輕量化的目的。因此，汽車用鋼的高強化是未來的發展方向。通過創新項目探究了這兩種實驗鋼板的強度，不僅有利于學生加深對相關理論知識的理解和實驗技能的掌握，而且有利于調動學生的主觀能動性和提高學生的團隊協作能力，有部分學生申請留校讀研進行更深入研究，以期能為DP1200 的研發和生產應用貢獻自己的力量。我校也積極響應黨和國家“大眾創業、萬眾創新”號召，深入貫徹落實《國務院辦公廳關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》，于2017 年由教務處、學工處、校團委、研究生院、科研發展研究院聯合組建了創新創業學院，制定了“武漢科技大學大學生創新創業訓練計劃項目管理辦法”和“武漢科技大學學生學科和科技競賽管理辦法”，對學生的創新實踐訓練給予了極大支持。我校金屬材料工程專業2016 級學生積極參加由中國體視學學會主辦的第七屆“金相學會杯”全國高校大學生金相大賽和第五屆材料綜合技能大賽，參賽學生獲得1 個特等獎、2 個一等獎和1 個二等獎，也參加了由教育部高等學校材料類專業教學指導委員會主辦的第八屆全國大學生金相技能大賽，參賽學生獲得1 個一等獎、1 個二等獎和1 個三等獎。創新項目和競賽指導相輔相成，共同促進了教學的提高，也促進了教師進一步的教學改革以期取得更好的成績［10-12］。

4 結語

結合汽車輕量化技術的發展現狀，將先進高強鋼引入實驗教學中，基于材料力學性能和材料科學基礎的實驗原理探究了所給兩種熱軋雙相鋼的強度級別，開闊了學生對當前汽車工程材料認識的視野，培養了學生動手操作能力、研究探索能力和創新思維能力，取得了較好的實驗教學效果。將科研成果和進展項目轉化為實驗教學資源，這對實驗教師的科研能力和教學水平提出了較高要求，需要實驗教師苦練內功、大膽創新、積極探討研究新技術與新方法［13-15］。我校積極開展實驗教學成果獎評比、加大學科競賽指導老師的獎勵制度以及將正高級實驗師納入職稱評審體系等，有利于增強實驗教師的榮譽感、歸屬感和價值感。這種良性互動有利于深化實驗教學改革，也是培養具有嚴謹科學精神與責任擔當意識的新時代工程應用人才的應有之義。