鋼的普通熱處理“虛實互補”實驗設(shè)計與應(yīng)用

范濤 王倩 李艷霞 李沖沖 趙東方

【摘? ?要】? ?鋼的普通熱處理是材料類、機械類相關(guān)課程中重要的實驗環(huán)節(jié)之一。以鋼的普通熱處理原理與工藝為基礎(chǔ)，運用Adobe Flash與Adobe Captivate軟件，設(shè)計建成45鋼和T12的成分、工藝、組織與性能的熱處理“虛實互補”仿真實驗，實現(xiàn)了鋼的普通熱處理實驗在線仿真與考核工作。該仿真實驗不僅可以揭示那些在傳統(tǒng)熱處理過程中不易觀測的現(xiàn)象，而且使得該類仿真能做到細(xì)節(jié)展示好、交互體驗性好、上手快、復(fù)現(xiàn)性好、制作成本低、不受實驗時間空間和硬件資源等限制，在多方面具有傳統(tǒng)實驗教學(xué)所不具備的優(yōu)點。與傳統(tǒng)實驗教學(xué)的對比表明，該仿真可明顯提高傳統(tǒng)實驗教學(xué)的質(zhì)量，彌補其不足。由于其產(chǎn)生的動態(tài)效果能夠?qū)崿F(xiàn)線上教學(xué)，因而具有極大的市場推廣價值。

【關(guān)鍵詞】? ?鋼的熱處理;實驗仿真;設(shè)計;應(yīng)用

Simulation Design and Application of General Heat Treatment Experiment of "Virtual Reality Complementation" for Steel

Fan Tao， Wang Qian， Li Yanxia， Li Chongchong， Zhao Dongfang

（North China Institute of Aerospace Engineering， Langfang 065000， China）

【Abstract】? ? Steel general heat treatment is one of the key experimental links in material and mechanical teaching. Based on the principle and the process of steel general heat treatment， this article applies Adobe Flash and Adobe Captivate software to designing and building “virtual reality complementation” simulations of heat treatment for composition， process， structure and performance of 45 steel and T12 alloy steel， and realizing online simulation and assessment works for experiments of traditional steel heat treatment. The simulation may not only reveal some important phenomena that are difficult to observe during real heat treatment process， but display experimental details very well and have good interactive experience， quick start-up， good reproducibility， low product costs， and not be restricted by experimental time， space， and hardware resources， possessing many advantages that traditional experimental teaching may not have. Since its dynamical effects can realize the online teaching work very well， it would show a great marketing prospect. Comparing with traditional experimental teaching work shows that such the simulation can obviously improve the quality of traditional teaching， thus may provide a useful supplement for traditional methods to make up the latter shortcomings.

【Key words】? ? ?steel heat treatment; experimental simulation; design; application

〔中圖分類號〕? G482? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2022）01- 0111 - 06

0? ? ?引言

隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步， 社會對人才的需求呈現(xiàn)出多樣性，這就使得高校傳統(tǒng)的實驗教學(xué)體系和實驗平臺要進(jìn)行不斷變革和更新。虛擬仿真又稱虛擬現(xiàn)實技術(shù)或模擬技術(shù)，就是用一個虛擬的系統(tǒng)模仿一個真實系統(tǒng)的技術(shù)。從狹義上講，虛擬仿真是指20世紀(jì)40年代伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一類試驗研究的新技術(shù)[1]。

虛擬仿真實驗包含教學(xué)設(shè)計、虛擬場景設(shè)計、虛擬對象設(shè)計、交互設(shè)計等步驟，是一門新興的綜合技術(shù)，是計算機的圖形學(xué)、人機交互等技術(shù)的綜合體現(xiàn)。在相關(guān)指導(dǎo)下計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，正在加速信息化和虛擬仿真教學(xué)的進(jìn)程[2]。開設(shè)虛擬仿真實驗的原則是：虛實結(jié)合、相互補充，讓學(xué)生有效地把虛擬仿真實驗與實體實驗相結(jié)合。學(xué)生在進(jìn)行實體實驗之前可先在虛擬仿真中心進(jìn)行預(yù)演，讓學(xué)生對儀器的操作及使用可以反復(fù)練習(xí)，當(dāng)出現(xiàn)錯誤操作時會及時提示而不損害儀器;虛擬仿真實驗綠色環(huán)保，不浪費材料和能源，不受時間限制;培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，提高了學(xué)生實踐和應(yīng)用能力、研究和創(chuàng)新能力。

本文參照現(xiàn)實的實驗場地、實驗設(shè)備及所開展的實驗項目進(jìn)行設(shè)計，把實驗所涉及的場地、設(shè)備、工具、材料等內(nèi)容進(jìn)行現(xiàn)實虛擬化，運用Adobe Flash與Adobe Captivate軟件，設(shè)計建成45鋼和T12的成分、工藝、組織與性能的熱處理仿真實驗，以實現(xiàn)鋼的普通熱處理實驗在線仿真與考核工作，為線下實驗提供有益的補充。

1? ? ?設(shè)計思路與工藝路線

金屬的熱處理是機械制造中極為重要的一環(huán)，能夠改善組織的性能，從而使材料的耐磨損性、塑韌性等得到極大的改善，不僅能推動我國工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，還能滿足環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排的需求[3]。

1.1? ?鋼種和工藝路線選擇

本文設(shè)計選用45鋼和T12進(jìn)行仿真交互制作。45鋼和T12鋼熱處理工藝路線如表1、2所示[4]。

1.2? ?熱處理后硬度測定及仿真模擬

熱處理完成后用洛氏硬度測試機測量鋼件熱處理后的硬度。最終熱處理結(jié)束后45鋼硬度要求達(dá)到20HRC，T12鋼硬度達(dá)到63HRC。并采用Adobe Flash計算機軟件制作動畫，再用Adobe Captivate制作成交互視頻。

2? ? ?實驗步驟

2.1? ?實驗設(shè)備及軟件

本文設(shè)計所使用的儀器為箱式電阻爐、洛氏硬度計、金相顯微鏡、Adobe Flash與Adobe Captivate軟件等。Adobe Flash可以制作比較復(fù)雜的動畫，Adobe Captivate能夠把圖像進(jìn)行串聯(lián)，制作成可供人們學(xué)習(xí)的交互視頻，類似于PPT軟件的界面。

2.2? ?正火動畫的制作

本文設(shè)計45鋼和T12兩種鋼種，因此分成兩大類動畫制作，每個正火動畫又分成放試樣、取試樣以及空冷三種動畫。首先要制作各種元件，包括常溫試樣、加熱后試樣、爐子（不帶爐門）、爐門、鉗子、溫度層、拿試樣小手、開爐門小手、底層背景。并且保證一元件一圖層的本質(zhì)，設(shè)置不同的圖層。插入關(guān)鍵幀以后，改變元件的位置，在兩個已經(jīng)存在的關(guān)鍵幀中間右擊創(chuàng)建傳統(tǒng)補間，如圖1所示，即可創(chuàng)建出所需動畫，創(chuàng)建好動畫的時間軸如圖2所示。其余的動畫也如上方法完成。圖層的放置順序通常是在時間軸越靠上的圖層放置越靠前，可通過手動拖動時間軸上的圖層改變圖層的先后順序，拖動時黑線位置即為拖動到的位置，如圖3所示。

通過不斷制作元件的補間動畫，即可完成45鋼以及T12鋼的正火放試樣的動畫。制作完成動畫后，通過文字插入溫度的變化，并設(shè)置溫度的獨立圖層（圖4）。點擊播放，即可觀看所制作的放試樣的動畫。點擊創(chuàng)建新文檔，并命名為取試樣。可重復(fù)利用放試樣的元件。同時打開兩個動畫，在屬性面板中找到所需元件，點擊復(fù)制（圖5），即可粘貼到新的所創(chuàng)文件中，不用再次創(chuàng)建元件，可自動生成為工作文件中的元件，但是要注意設(shè)置不同的圖層，經(jīng)過插入關(guān)鍵幀、創(chuàng)建補間動畫，描取動畫中的關(guān)鍵點即可制成新的動畫。

2.3? ?球化退火動畫的制作

T12鋼正火后必須進(jìn)行球化退火，經(jīng)過退火球狀的碳化物就可以均勻地分布在鐵素體的基體上，使T12鋼件的塑性、加工性得到改善。球化退火動畫的制作與正火動畫基本原理相同，可重復(fù)利用已有的圖層、元件。T12的球化退火需要制作放置試樣、加熱保溫、爐冷至600℃、取出試樣空冷四種不同的動畫，每個動畫單獨制作一次。動畫制作完成后點擊播放，檢查動畫是否正確、完好。

2.4? ?淬火動畫的制作

45鋼與T12鋼都需要進(jìn)行淬火熱處理，45鋼的淬火工藝位于正火工藝之后，T12鋼的淬火工藝則位于球化退火之后。淬火動畫包含放試樣、保溫、水冷、攪拌、水冷后取出五部分，45鋼和T12鋼各5個動畫單獨制作，總計10個動畫。同樣可以利用已有的圖層和元件，進(jìn)行動畫制作。制作完成后點擊播放，檢查動畫的完整性，并設(shè)置發(fā)布位置（圖6），選擇發(fā)布的格式（圖7）。設(shè)置完成后點擊發(fā)布，即可得到所制作的動畫。

2.5? ?回火動畫的制作

45鋼回火后需要進(jìn)行水冷，而T12鋼回火后冷卻方式為空冷。所以45鋼熱處理動畫包含放試樣、加熱保溫、取出試樣放入水中、攪拌冷卻、取出水冷試樣5個動畫，T12鋼則包含放試樣、加熱保溫、取出試樣空冷3個動畫。制作完成后按上述方法進(jìn)行動畫發(fā)布即可。

2.6? ?測硬度動畫的制作

熱處理完成后，可以通過對試樣硬度的檢測來判斷熱處理是否合格，45鋼熱處理后硬度約為20HRC，T12熱處理后硬度約為63HRC。本動畫需要制作表盤、指針、握柄、支柱、載物臺、轉(zhuǎn)盤、卸力手柄、加力手柄、壓頭、試樣、放試樣手、抓握柄手、轉(zhuǎn)動表盤的手等元件。保持一元件一圖層，可以制作形成27個不同的圖層。

2.6.1? ?表盤的制作

雙擊“圖層1”，將其重新命名為“表盤”，通過橢圓工具畫出一個表盤，完成之后點擊時間軸左下角的“新建圖層”，然后把名字改成“小刻度”，用線條工具繪制出一條束線，然后把線條的變形點拖拉到表盤最中間的地方。在“變形”面板中將旋轉(zhuǎn)角設(shè)置為3.6°，然后再次點擊“重置選區(qū)和變形”的按鈕，如圖8所示，左擊100下時間軸上的隱藏圖層按鈕（圖9）。點擊“新建圖層”，把名字改成為“中刻度”，畫出一條豎線，把線條的變形點拖拉到表盤最中心的位置。然后在“變形”面板中在旋轉(zhuǎn)角中設(shè)成18°，就可以再次點擊“重置選區(qū)和變形”按鈕，左擊20下，左擊時間軸上的“隱藏圖層”按鈕，就可以得到中等刻度。再次點擊“新建圖層”，把名字改成“大刻度”，用同樣的方法，即可得到中等刻度，點擊取消隱藏圖層，用“部分選取工具”按鈕選擇表盤，點擊創(chuàng)建元件（圖10）。自此，一個鐘表元件便做成了（圖11）。

之后逐個繪制并制成元件，在制作轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)時，首先拖動形變點，移動到轉(zhuǎn)桿最中央位置，在之后某一幀插入關(guān)鍵幀。點擊“任意變形工具”按鈕，并把形變點移動到最中央位置（圖12），圖中白色原點即為形變點，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)桿到所需位置，點擊創(chuàng)建傳統(tǒng)補間，左擊創(chuàng)建的補間中任意一點，找到屬性面板，選擇旋轉(zhuǎn)方向并選擇旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，小于一圈則輸入“0”，大于一圈則輸入所旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，按照舍去小數(shù)點圈數(shù)的方法設(shè)置圈數(shù)，例如需要旋轉(zhuǎn)1.5圈，則輸入“1”，如圖13所示。

新建指針圖層。指針制作完成后，點擊“部分選取按鈕”，把指針做成元件，點擊“任意變形工具”按鈕，選取指針形變點，并移至表盤最中央處，在合適的幀處插入關(guān)鍵幀，并把指針移至合適的位置，在兩關(guān)鍵幀中間某一幀右擊，點擊創(chuàng)建傳統(tǒng)補間，在屬性面板設(shè)置旋轉(zhuǎn)的方向、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，便制作成了指針的旋轉(zhuǎn)動畫。

2.6.2? ? 支柱上升、下降動畫的制作

新建支柱圖層并制作支柱，制作完成后創(chuàng)建成元件，支柱的上升、下降動畫不同于其他動畫的制作，本動畫的制作需要利用元件的拉伸與收縮。在合適的位置插入關(guān)鍵幀，點擊“任意變形工具”按鈕，拉伸變形的黑點，再適當(dāng)調(diào)整支柱的位置，點擊創(chuàng)建傳統(tǒng)補間，便可制作支柱的上升與下降動畫。

2.6.3? ?壓桿手的制作

點擊新建圖層并命名為壓桿手，拖動小手插入軟件中，用“套索”中的“魔術(shù)棒”按鈕選擇摳出小手，并用“任意變形工具”按鈕選擇小手，創(chuàng)建成元件，之后摁住“alt”鍵的同時拖動小手，則會形成兩個小手，把兩個小手的形變點拖動到與壓桿的形變點相同的地方，即壓桿的最中心處（圖14），白色圓點即為形變點，使壓桿和小手保持同時旋轉(zhuǎn)，在相同幀處插入關(guān)鍵幀，創(chuàng)建傳統(tǒng)補間，設(shè)置旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)周數(shù)，使壓桿與小手相對位置保持不變，即可制作出手與壓桿旋轉(zhuǎn)動畫。

經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整各個關(guān)鍵幀，并制作各個元件，創(chuàng)建傳統(tǒng)補間，測硬度的動畫難點基本完成。其余如加力手柄、卸力手柄等的移動只需要按照熱處理中元件相對移動的方法創(chuàng)建，45鋼與T12鋼的測硬度動畫的不同之處只在于加主載之后指針旋轉(zhuǎn)位置的不同，元件可以重復(fù)利用，只需重新完成加主載后的指針旋轉(zhuǎn)動畫，也就是只改變加主載后的指針圖層與文字圖層即可。

2.7? ?觀察試樣動畫及開機操作動畫的制作

觀察試樣動畫同樣按照如上原理制作，首先制作機身、目鏡、物鏡、粗準(zhǔn)焦螺旋、細(xì)準(zhǔn)焦螺旋、載物臺等元件，然后制作把試樣放到載物臺上，讓物鏡方向變?yōu)槌拢瓿珊笥么终{(diào)手輪就可以改變載物臺的位置，用眼睛看著目鏡，讓物鏡逐漸靠近試樣的表面（注：不能使物鏡和試樣接觸上），若使載物臺位置上升，首先要轉(zhuǎn)動粗調(diào)的手輪，微調(diào)手輪用于視野中出現(xiàn)光亮后，按照此原理制作動畫。

開機操作動畫可以利用已有電阻爐元件進(jìn)行制作，只需加入調(diào)節(jié)小手元件，溫度與時間文字層，上一溫度的末尾溫度即為下一溫度的起始溫度，并調(diào)節(jié)時間，按照如上的動畫制作原理即可完成開機操作動畫的制作。

2.8? ?仿真交互的制作

動畫完成后，便可以開始制作仿真交互，本次交互的制作使用Adobe Captivate軟件，本軟件上手容易，畫面與PPT軟件十分相似。

打開軟件之后，會出現(xiàn)如圖界面，點擊空白項目（圖15），在題目欄輸入“鋼的熱處理及其熱處理后的顯微組織的觀察實驗仿真”，點擊“媒體”中的 “圖像”插入學(xué)校校徽，點擊“形狀”，選擇矩形，之后復(fù)制矩形，并為矩形選擇合適的位置，雙擊矩形，一個輸入“45鋼”，另一個輸入“T12”。點擊“形狀”，選擇矩形，雙擊輸入指導(dǎo)老師，基礎(chǔ)頁面便制作完成（圖16）。

在“幻燈片”中選擇“空白幻燈片”，點擊標(biāo)有“45鋼”字樣的矩形，在屬性面板中點擊“用作按鈕”，在“樣式”中選擇填充顏色為紅色，選擇“轉(zhuǎn)到幻燈片”，選擇“2幻燈片2”，如圖17所示。選擇第二張幻燈片，在其中插入6個相同大小的矩形框，分別雙擊輸入“開機操作”“正火”“淬火”“高溫回火”“硬度測試”“觀察試樣”，如圖18所示，插入一定數(shù)量的空白幻燈片，點擊帶有“開機操作”字樣的矩形，點擊“用作按鈕”，在“樣式”中選擇填充顏色，選擇“轉(zhuǎn)到幻燈片”，選擇“3幻燈片3”，選擇第三張幻燈片，點擊“互動視頻”，插入開機演示動畫，選擇“形狀”中的“向右箭頭”，雙擊輸入“下一步”，同樣用作按鈕，選擇“到下一張幻燈片”，點擊“形狀”中的“橢圓”，雙擊輸入“開機演示”，點擊時間軸按鈕，把“活動”調(diào)制3秒，并移至動畫末尾，少于3秒的動畫則縮短動作時間（圖19）。

選擇下一張幻燈片，找到45鋼熱處理頁面帶有“正火”的矩形，設(shè)置動畫轉(zhuǎn)到相應(yīng)的幻燈片，并在相應(yīng)的幻燈片按照“開機演示”幻燈片頁面的設(shè)置方法進(jìn)行設(shè)置（注：下一步按鈕可以復(fù)制粘貼使用，且不用設(shè)置動畫，已經(jīng)默認(rèn)為轉(zhuǎn)到下一張幻燈片），通過插入“45鋼正火放試樣”動畫，點擊下一張空白幻燈片，插入“45鋼正火保溫”動畫，并按照如上方法進(jìn)行時間軸、動畫名稱、下一步按鈕的制作，之后插入“45鋼正火取試樣空冷”動畫，同樣按如上方法制作頁面，這樣45鋼的正火交互便完成了，按照如上原理依次制作“淬火”“高溫回火”“硬度測試”“觀察試樣”的熱處理動畫交互，同樣按照如上方法制作T12的動畫交互。

3? ? ?應(yīng)用

本仿真實驗項目歷經(jīng)2年的教學(xué)實踐，校內(nèi)外學(xué)生觀看次數(shù)近800次。對有無實驗仿真的實驗教學(xué)效果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，實驗仿真彌補了真實實驗教學(xué)的不足，能明顯提高實驗教學(xué)質(zhì)量。有實驗仿真的實驗教學(xué)效果明顯好于無實驗仿真的傳統(tǒng)實驗，實現(xiàn)了一對一交互式實驗操作，學(xué)生滿意度較高，對于不易觀測、難以言明的實驗原理和現(xiàn)象理解更透徹，實驗安全操作失誤率大大降低，在真實實驗中，實驗操作上手更快捷、更有序，平均實驗時間減少，實驗成績普遍提高，同時做到節(jié)能環(huán)保。

4? ? ?結(jié)語

本文中鋼的普通熱處理實驗仿真設(shè)計將傳統(tǒng)熱處理工藝與計算機技術(shù)相結(jié)合，制作成本低，采用一對一交互式的在線實驗學(xué)習(xí)、操作，交互體驗感更強，上手快，復(fù)現(xiàn)性更佳，節(jié)能環(huán)保。今后可不斷開發(fā)新內(nèi)容，讓學(xué)習(xí)者在實驗中錘煉創(chuàng)造性思維，并與“工程材料與熱加工”“金屬學(xué)”和“熱處理原理與工藝”等多門課程結(jié)合，具有極大市場推廣價值。

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