工程材料基礎綜合性實驗的探索與實踐

高 圓 孫巧艷 白 宇 李燁飛 席生岐

西安交通大學材料學院，陜西 西安 710049

創新人才培養是建設人才強國的當務之急，國家對創新型人才培養的要求不斷提高，創新教育已經成為新時代高等教育的重要任務。實踐教學是人才培養的重要環節，是理論知識與工程實踐的紐帶橋梁。在教育部下發的《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》中，要求高等學校要進一步加強實驗教學等核心實踐環節，不斷與時俱進，更新實驗教學內容，改進實驗教學方法，同時增加綜合性與創新性實驗，給大學生創造更多動手操作的機會，以提高大學生的創新實踐能力，為培養大學生的獨立研究能力打下堅實的基礎。在《普通高等學校本科教學工作水平評估指標體系》中，明確了綜合性設計型實驗標準，對包含綜合性設計性實驗的課程占有實驗課程總數的比例和效果也提出了具體要求。

能源、信息和材料是現代社會的三大支柱，因此學習并掌握工程材料的基礎知識對于工科院校大機類學生來說有深遠意義。工程材料基礎是我校材料學院面向機械、能動、航空航天等非材料專業開設的大面積專業基礎課程，每年授課學生近千人。本課程從工程材料的分類、應用和失效方式講起，以金屬（包括碳鋼、合金鋼、鑄鐵和有色金屬）、陶瓷、高分子和復合材料及其工程應用為講解對象，闡明材料的成分、組織結構、性能之間的關系，培養學生根據零構件設計的性能指標選擇合適材料，做到“知材、懂材”并能合理使用材料。該課程的理論性及實踐性均很強，在工程材料基礎課程教學體系中，實驗教學是其重要環節，占總課時的12.5%。對大機類非材料專業本科生來說，如何在課時有限的材料類課程的學習中，加深理解材料基本知識并提升學習興趣，實驗教學環節發揮著舉足輕重的作用。因此，工程材料基礎實驗教學是本課程的重要組成部分，對于加強課程理論知識的融會貫通、提高學生分析解決問題的能力以及創新能力具有很重要的作用。

隨著各高校對實驗教學環節改革的不斷深入，實驗教學正面臨著新的變化，已從過去單一的演示驗證性實驗發展為綜合性、設計性和創新性三種類型的實驗。各高校機械工程材料課程組已經相繼啟動實驗教學改革，針對該課程實驗教學中所存在的問題進行認真分析，從實驗教學理念、實驗教學模式、實驗室建設、實驗內容和教學方法等方面進行改革，實踐和探索創新型的綜合性實驗模式。

一、綜合性實驗的改革思路

我校工程材料基礎課程包含3 個課內實驗，分別是實驗1 金相試樣的制備和金相顯微鏡的使用（2 學時）；實驗2碳鋼和鑄鐵平衡組織與非平衡組織的觀察與分析（2 學時）；實驗3 碳鋼熱處理及組織與性能測試分析綜合實驗（4學時）。實驗1和2以演示性、驗證性的小型實驗為主，綜合實驗3形式為教師將熱處理工藝設計好，學生按指定的工藝進行熱處理操作，驗證設計好的組織和性能。這種實驗形式仍以驗證性為主，學生對熱處理原理和工藝路線的制訂并沒有深入理解，自主探究和思考的機會很少，不僅不能契合現代化的人才培養理念，也無法積極促進培養學生的動手能力、分析解決問題的能力和創新實踐能力。

工程材料基礎原有熱處理綜合實驗使用的材料為常見的45鋼和T12鋼，這類碳鋼材料淬火后快速發生馬氏體轉變，強度和硬度迅速提高，其強化機制為馬氏體相變強化。而另一類重要的工程材料鋁合金強化方法之一為時效強化，淬火后在室溫或低溫加熱下保溫一段時間，隨時間延長其強度、硬度才會顯著升高。碳鋼的馬氏體相變強化和鋁合金的時效強化均為工程材料基礎課程的重、難點知識，學生學習時僅被動接受，理解起來較為抽象。為了讓學生親自探索碳鋼和鋁合金不同的強化機制，加深對該知識點的理解，在實踐環節開展了綜合性探索實驗環節，設計了“急性子的鋼與慢性子的鋁合金熱處理強化機制研究”這一開放性實驗課題，供學生探索研究，以加深學生對材料四要素成分—工藝—組織—性能四者之間關系的理解和認識，提高其研究材料的興趣，培養學生探索研究能力和解決實際工程問題的能力。

二、綜合性實驗的實踐與效果

綜合性實驗的組織過程如下：教師在課堂布置選題，學生自由申報，教師根據學生報名情況分組（2-3 人一組），指定專門教師進行實驗指導和儀器操作培訓，學生在教師指導下獨立完成學習任務，在課程結束前在班級用PPT 匯報學習的成果或者提交研究報告。整個綜合實驗由學生獨立完成，學生自己操作實驗儀器設備；教師起引導作用，充分調動學生的積極主動性，提高學生學習知識的主動性和創新實踐的能力。

具體實施過程為：（1）準備樣品。用線切割切取7075 鋁合金和45 鋼試樣，依次用180，400，600，800 目砂紙從粗到細進行粗磨和精磨，然后在拋光機上進行拋光，至樣品表面為光亮的鏡面。制樣完成后，用4%硝酸酒精進行腐蝕以顯示組織，然后在金相顯微鏡下觀察組織，之后用顯微維氏硬度計分別對鋁合金和碳鋼硬度進行測量。（2）熱處理。分別對鋁合金和碳鋼樣品進行淬火處理。45 鋼在850℃下保溫12min 水冷；7075 鋁合金在480℃下保溫1h 水冷。熱處理后，再對樣品進行精磨、拋光。接著對45 鋼樣品進行腐蝕并觀察組織，記錄剛剛淬火后的鋁合金和碳鋼表面維氏硬度。（3）每天來測量一次硬度，連續1周直至鋁合金的時效強化消失。

首先對45鋼淬火前后的組織進行觀察和分析，如圖1 所示。由顯微組織可以看出，45 鋼退火態的組織為黑色的珠光體和白色的鐵素體，硬度約為225.6HV；淬火后組織為片狀和板條狀混合形態的馬氏體，硬度為744.5HV。由于馬氏體轉變溫度低，轉變速度快，只發生鐵素體的晶體結構轉變，而碳原子來不及重新分布，被迫保留在馬氏體中，其碳的質量分數與母相奧氏體相同，因此馬氏體是碳在α-Fe 中的過飽和固溶體，具有體心正方結構。大量碳原子的過飽和造成原子排列發生畸變產生較大內應力，因此馬氏體具有高的硬度和強度。

對45 鋼淬火后的硬度連續測量1 周，結果如圖2 所示。45 鋼在淬火后硬度直接增加為退火態的3.5 倍左右，并在之后的幾天硬度均維持在800HV 上下，沒有時效特性。硬度的浮動可能是由于組織不均勻引起的。

7075 鋁合金淬火前后的硬度變化曲線如圖3 所示。鋁合金退火態硬度為69.4HV。將其加熱到高于固溶線的某一溫度并保溫一段時間后，得到均勻的單相α 固溶體，再將其放入水中迅速冷卻，使第二相θ（CuAl）來不及從α 固溶體中析出而獲得過飽和的α 固溶體組織，這種處理稱為固溶處理（即淬火）。此時由于α 相產生固溶強化，使該合金的硬度略提高到91.5HV，硬度僅增加30%。之后把淬火后的鋁合金在室溫下放置4 小時，其硬度提高到107.3HV，相較于退火態增加了54%；之后幾天因時效強化每天硬度緩慢增長，至固溶處理后第6天達到硬度最大值147.7HV，約為退火態的2 倍。

鋁合金時效強化的實質，是過飽和固溶體的脫溶分解過程。當鋁合金淬火后得到過飽和固溶體，是處于不穩定狀態，有析出第二相的傾向。但在室溫或加熱較低溫度下，由于溶質原子移動緩慢，在固溶體內形成許多區域極小的溶質原子偏聚區（GP[I]區、GP[II]區），造成晶格嚴重畸變，使位錯運動受阻，從而促使合金強度明顯提高。若時效溫度過高或保溫時間過長，溶質原子偏聚區轉化為過渡相θ’，使得晶格畸變減弱，則合金開始趨向軟化。當最終形成穩定化合物θ 相，并從固溶體中析出，此時合金強化效果消失，即產生“過時效”。由于室溫下溶質原子能量不高，所以過時效現象并不明顯。

馬氏體相變強化和固溶時效強化是金屬材料重要的兩大類強化機制，也是工程材料基礎的重點和難點內容。通過“急性子的鋼與慢性子的鋁合金熱處理強化機制研究”這一綜合性實驗，學生從“被動接受”轉變為“主動探索”，加深了對所學理論知識的理解。在課堂上，學生學到的這部分知識比較抽象，不容易理解，如果不親自觀察到典型材料的組織特征并測量硬度，是很難深入理解金屬材料熱處理工藝與組織和性能之間的關系的。通過“急性子的鋼與慢性子的鋁合金熱處理強化機制研究”這一綜合實驗，學生對碳鋼和鋁合金兩種材料親自進行熱處理、測量硬度和觀察金相組織，分析實驗結果可以發現碳鋼和鋁合金呈現不同的熱處理強化規律是其內部不同的組織變化所引起的，這使學生能夠深刻體會材料成分—組織—工藝—性能四者之間的聯系，這也是工程材料基礎課程貫穿始終的一條主線。能把理論知識應用到分析和解決實際問題上，這才是人才培養要達到的真正目標。

工程材料課程綜合性探索實驗的開展進一步拓展了學生的知識面。通過完成綜合性探索實驗，學生的視野不再局限于書本上抽象的理論知識，而是通過親自探索和分析，對碳鋼和鋁合金不同的熱處理強化現象背后的機制進行深入研究和思考，這就對課本所學知識進行了補充和拓展。綜合性探索實驗也培養了學生研究分析問題的能力，提高其主動思考的積極性，為以后開展科研工作奠定了重要的基礎。從進入實驗室開始，教師進行設備儀器和安全注意事項的講解后，學生就自己獨立動手操作實驗設備，學會了熱處理爐加熱保溫制度的設定、淬火操作、使用顯微維氏硬度計和洛氏硬度計測試熱處理前后的硬度，獨立按照金相樣品制備步驟（包括磨樣、拋光和浸蝕）制備出質量較高的金相試樣，熟練使用金相顯微鏡進行顯微組織觀察和分析。在整個實驗過程中，熱處理操作和金相試樣制備存在一定的難度，很多學生都是重復做了很多次實驗才做出合格的試樣。學生還主動總結分析實驗過程中遇到的異常情況，一位學生在他的研究報告中這樣寫道：“本次實驗最大的問題是測量硬度的異常。因為當時已經發現了碳鋼硬度較往常大，但以為是隨機誤差，所以就多測了幾組，沒有意識到可能是儀器設置的錯誤，下次遇到異常數據應該換個角度多想想。”工程材料基礎綜合性實驗作為本科生畢業設計之前的一次研究性實驗，為其以后開展科研工作積累了寶貴的經驗和培養了科學研究思維。

三、結語

工程材料基礎綜合性實驗的探索與實踐是為了培養創新型實踐人才而開展的一次教學改革活動，課程組緊密結合課程重難點內容，設計了“急性子的鋼與慢性子的鋁合金熱處理強化機制研究”供學生探索研究。通過自主設計實驗方案、完成實驗操作、分析實驗結果、撰寫實驗報告，學生從“被動接受”轉變為“主動探索”，不僅了加深了對課程知識點的理解和認識，也培養了其動手能力、分析問題和解決問題的能力以及創新性思維。未來的教學工作中，課程組計劃結合課程內容，設計更多趣味性、有內涵、有深度的實驗研究題目供學生選擇，將這一有意義的工作持續開展下去。