以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目為依托的材料成形及控制工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

賈 征， 喻 兵， 王心彤， 趙偉博， 邵一川

（沈陽大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110044）

0 引 言

材料是人類賴以生存和得以發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，創(chuàng)新是一個(gè)國家進(jìn)步的關(guān)鍵，隨著社會的不斷發(fā)展，創(chuàng)新性人才的需求量越來越大，而培養(yǎng)創(chuàng)新性人才是教育部組織實(shí)施的“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”重要內(nèi)容之一。“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目”的實(shí)施，使部分高等學(xué)校教育思想觀念發(fā)生改變，改革人才培養(yǎng)模式，強(qiáng)化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力訓(xùn)練，增強(qiáng)高校學(xué)生的創(chuàng)新能力，以培養(yǎng)適應(yīng)創(chuàng)新型國家建設(shè)需要的高水平創(chuàng)新人才［1-4］，在高等教育里顯得尤為重要。在材料成形與控制工程專業(yè)里，專業(yè)實(shí)驗(yàn)是必不可少的重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學(xué)生動手能力及強(qiáng)化知識的重要組成部分［5-6］。但是實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)往往不被重視，如“驗(yàn)證型”實(shí)驗(yàn)很少涉及學(xué)生的主觀思考能力，只是讓學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證書本上的知識點(diǎn)，學(xué)生的積極性也不高。如果將“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目”與專業(yè)實(shí)驗(yàn)深入融合，以專業(yè)實(shí)驗(yàn)室為“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”平臺，以“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”促進(jìn)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生主動愿意去探索創(chuàng)新，從而提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出更多的創(chuàng)新性人才，是材料成形專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要努力方向之一。

以材料成形與控制工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一“物理場對合金熔體影響”教學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，是專門為材料成形專業(yè)學(xué)生開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這個(gè)項(xiàng)目一共分為3步：熔煉合金、加入外場、組織觀察，本實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生通過外場處理的方法深入理解晶粒細(xì)化的方法，并掌握物理細(xì)化技術(shù)在材料成形中重要應(yīng)用的科學(xué)手段。但是，由于專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間非常有限，學(xué)生的創(chuàng)新思想和實(shí)踐能力受到很大的限制。因此，通過課程教學(xué)-創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)-探索分析-創(chuàng)新能力培養(yǎng)”的教學(xué)方法，將大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目與材料成形專業(yè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深度融合。每年專業(yè)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目有2～3項(xiàng)，并以專業(yè)實(shí)驗(yàn)為拓展進(jìn)行承擔(dān)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，形成以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目為依托的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。下面將從“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”的實(shí)驗(yàn)過程開始，在專業(yè)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，為學(xué)生們打造更加生動的課堂，培養(yǎng)更多學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)背景

外場細(xì)化技術(shù)在上個(gè)世紀(jì)就已經(jīng)得到了人們的廣泛關(guān)注。比如外場細(xì)化中的超聲波細(xì)化技術(shù)，因超聲波對環(huán)境無任何不良影響，且具有改善工人勞動環(huán)境等綠色環(huán)保優(yōu)勢，越來越普遍地應(yīng)用于各領(lǐng)域中［7-9］，有研究發(fā)現(xiàn)高頻超聲振動所產(chǎn)生的空化效應(yīng)和聲流的攪拌作用具有細(xì)化和除氣雙重作用，同時(shí)合金鑄錠質(zhì)量及力學(xué)性能也進(jìn)一步提高，得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛青睞［10-14］。因此，在學(xué)生掌握了上述一定的理論知識和實(shí)踐技能的基礎(chǔ)上，對外場細(xì)化進(jìn)行深入研究，承擔(dān)了一項(xiàng)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目“超聲場對合金細(xì)化及除氣的影響”。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，選用合金為Al-5Cu簡單二元合金，利用超聲場對其進(jìn)行處理，考察其對細(xì)化和除氣的影響。最后通過觀察與分析驗(yàn)證其超聲場細(xì)化和除氣的效果。

1.2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

學(xué)生所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括超聲波發(fā)生器，其最大輸出功率為2 kW，頻率為20 kHz；還包括熔體控溫的控溫表、井式電阻爐、超聲波支架（可實(shí)現(xiàn)超聲探頭的上下前后移動）及黏土-石墨坩堝，見圖1所示。Al-5Cu合金采用99.7%的工業(yè)純鋁與電解銅片按質(zhì)量百分比配置而成，熔煉時(shí)使用石墨桿多次攪拌金屬熔體使成分均勻化，將澆注成形后的鑄錠使用切割機(jī)切成小塊，留待重熔使用。

圖1 超聲場裝置布置示意圖

學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為3組，具體如下，將配好的合金放入1號黏土-石墨坩堝中進(jìn)行重熔，每組試樣的質(zhì)量為200 g左右，重熔過程中當(dāng)溫度穩(wěn)定800℃后，將含有熔體的黏土-石墨坩堝放到銅板上，使用預(yù)熱500℃超聲探頭插入熔體中進(jìn)行超聲處理，插入深度為5 mm，當(dāng)熔體溫度降為750℃時(shí)，銅板內(nèi)部通入循環(huán)冷卻自來水，直至鑄錠凝固至室溫（20℃左右）。實(shí)驗(yàn)條件分別為未施加超聲、底部僅水冷及超聲-底部水冷處理120 s，處理后讓熔體自然冷卻后得到鑄錠。鑄錠密度采用阿基米德原理進(jìn)行測量，最后將鑄錠從頂部向下切成對稱的兩塊，用于組織觀察。其中，Al-5Cu合金宏觀腐蝕液為：HCl∶HF∶H2O=15∶10∶90，顯微組織腐蝕液為：5%HF水溶液。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證

鑄錠經(jīng)自然冷卻后觀察其宏觀組織，發(fā)現(xiàn)在觀察范圍內(nèi)分布著較粗大的氣孔和柱狀晶，如圖2（a）所示；而鑄錠強(qiáng)制水冷后，從斷面可以看出，鑄錠氣孔有所減少，但是并不理想，且鑄錠細(xì)化效果也不好，僅在鑄錠的底部分布著少量粗大的等軸晶，如圖2（b）所示，但是如果超聲處理時(shí)間120 s且鑄錠底部強(qiáng)制冷卻后，鑄錠的凝固組織特別細(xì)小均勻且內(nèi)部沒有肉眼可見氣孔，如圖2（c）所示。

圖2 超聲處理Al-5Cu合金鑄錠宏觀組織

為了進(jìn)一步說明不同超聲處理時(shí)間對黏土-石墨坩堝底部強(qiáng)制水冷凝固組織的影響，取樣部位均為試樣的中心部位，從圖3（a）看出，自然冷卻的鑄錠中心部位均為粗大的樹狀晶，氣孔也較多；圖3（b）的組織也非常粗大，分布著大量的樹枝晶；當(dāng)鑄錠底部強(qiáng)制冷卻并且超聲120 s后，可看出微觀組織不斷為細(xì)小圓整的晶粒過渡，見圖3（c）所示。視野內(nèi)很少見到氣孔，這與圖2（c）吻合。

圖3 Al-5Cu合金鑄錠超聲處理微觀組織觀察

2 探索分析與創(chuàng)新能力培養(yǎng)

針對上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了相關(guān)分析。從文獻(xiàn)［15］中可知，合金熔體除氣率η為：

式中：ρ0為未除氣合金試樣密度，g/cm3；ρa(bǔ)為除氣合金試樣密度，g/cm3；ρb為合金試樣理論密度（Al-5Cu合金是2.796 6 g/cm3。

在此基礎(chǔ)上，測定并計(jì)算出了試樣的密度及除氣率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，自然冷卻時(shí)，鑄錠的密度僅有2.683 1 g/cm3；底部水冷時(shí)，鑄錠密度有所提升，達(dá)到2.698 7g/cm3，但除氣效果不明顯，僅為13.7%；但是底部水冷后加入超聲120 s后，試樣密度高達(dá)2.791 1 g/cm3，除氣率可達(dá)95.1%，測定實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同處理?xiàng)l件的鑄錠密度和除氣率

分析可知，當(dāng)施加適宜的超聲波處理熔體時(shí)，產(chǎn)生的空化氣泡吸附周圍的氫原子，此時(shí)氣泡會迅速長大析出，達(dá)到除氣目的。對于本實(shí)驗(yàn)過程，在黏土-石墨坩堝底部放置銅板進(jìn)行通水冷卻時(shí)，超聲振動形成的細(xì)小等軸晶會不斷向下掉落后會很快凝固，而它們之間的空隙會被上方的金屬液所填補(bǔ)，進(jìn)而形成致密的組織，如圖2（c）。而在黏土-石墨坩堝底部非強(qiáng)制冷卻的情況下，此時(shí)熔體是由四周開始凝固的，各個(gè)方向的冷卻速度相當(dāng)，這使得熔體中的大部分氣體還未完全逸出就被凝固前熔體形成的枝晶所阻礙，殘留在熔體中形成氣孔。因此，得出結(jié)論：在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過程中，可采用鑄錠底部強(qiáng)制冷卻+外場處理的復(fù)合方法來處理可得到組織均勻、細(xì)小且內(nèi)部缺陷很少的鑄錠。

3 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目與專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和方法進(jìn)行了對比和分析，通過查閱文獻(xiàn)對高強(qiáng)超聲處理對Al-5Cu合金細(xì)化及除氣的影響實(shí)驗(yàn)有了進(jìn)一步的了解，材料成形專業(yè)實(shí)驗(yàn)不同于基礎(chǔ)學(xué)科，重視拓展學(xué)生們的專業(yè)知識，培養(yǎng)學(xué)生們對于材料加工的進(jìn)一步創(chuàng)新。以前，材料成形實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大多采用驗(yàn)證性操作試驗(yàn)，其思維模式較為固定，而大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維最好的學(xué)習(xí)方式。因此大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)以專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為依托，避免了學(xué)生立項(xiàng)沒有依據(jù)，缺乏理論知識與實(shí)踐技能，有利于學(xué)生探索新問題，深入探究書本上知識的來龍去脈，深入理解并發(fā)現(xiàn)更新的問題從而加以解決，且能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。材料成形實(shí)驗(yàn)教學(xué)與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)深度融合，可以起到更好的教學(xué)效果，可充分利用學(xué)校現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的濃厚興趣，還可將大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成果反饋實(shí)驗(yàn)教學(xué)，很大程度上調(diào)動與發(fā)揮學(xué)生的求知欲，契合新工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)。

4 結(jié) 語

材料成形及控制工程專業(yè)以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目為導(dǎo)向，將大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃更好地融合到課堂實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中。深度融合結(jié)果不僅將優(yōu)秀教學(xué)資源高效整合，使教學(xué)更生動，而且可讓學(xué)生深入理解材料成形相關(guān)對應(yīng)知識點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和積極探索能力，對培養(yǎng)應(yīng)用型人才意義重大。專業(yè)實(shí)驗(yàn)取得的階段性成果，可為下一階段大創(chuàng)計(jì)劃項(xiàng)目的立項(xiàng)提供一條可行的選項(xiàng)，同時(shí)也可為液態(tài)成形的金屬材料性能的提高提供了一條探索途徑。