《金屬材料學》課程的教學思考

侯 瓊

(華南師范大學化學學院，廣東 廣州 510631)

《金屬材料學》是一門材料科學理論與實際應用結合較強的學科基礎課。通過本課程的學習，學生能夠掌握各類金屬材料的成分、組織和熱處理工藝特點及其之間的關系，能夠根據零件的服役條件，合理地設計材料的成分并制定適當的熱處理工藝；能夠根據所學理論知識選擇和使用金屬材料、具有從事金屬材料研究和加工的能力以及解決工程應用中實際問題的能力。該課程包括的知識點多且較零散、理論性和實踐性都較強，要求學生要有較好的專業基礎知識，但是學生之前所學的與金屬材料有關的先修課較少，基礎知識較薄弱。因此，學生學習會感到困難，很難將所學知識融會貫通。怎樣提高學生的學習積極性，筆者對近年來的教學談談自己的體會。

1 多提問，讓學生積極參與課堂教學

金屬材料的應用非常廣泛，學生對金屬材料并不陌生，日常生活中經?？梢姼鞣N金屬材料。因此，可以讓學生觀看各種金屬材料的圖片，如建筑、橋梁、船舶、各種各樣的機器零件以及日常生活用金屬材料等。以生活中實際應用的金屬材料為例進行分析，如剛買回來的不銹鋼用品看上去亮晶晶的，但使用過一段時間后發現表面變得灰暗。讓學生思考為什么不銹鋼能不銹？不銹是絕對的嗎？又比如有些鋼制品使用長時間后表面整體銹蝕，而有些卻是形成點狀蝕坑？有一些機器零件，工作時零件的表面和心部受力情況不同，要求表面和心部具有不同的力學性能，怎樣才能達到要求？高鐵、宇宙飛船上使用的金屬材料有哪些？硫和磷是碳鋼中的長存雜質，在易削鋼中它們還是雜質嗎？它們對易削鋼的性能有什么影響？授課過程中實時提問，引導學生積極思考，有效地參與到課堂中，這樣就可以調動學生的學習積極性，激發學生的好奇心，希望從后續的課程中獲得答案。

2 具體問題采用案例說明

教學過程中，根據教學內容穿插適當的實際例子來吸引學生的注意力，提高學習興趣。如學習工程構件用鋼時，為了幫助學生理解工程構件用鋼要有足夠的低溫韌性，以二戰期間，美國4 000多艘運輸船在使用過程中由于材料的低溫韌性不足導致有近20%的船只發生斷裂事故的事件為例來分析，讓學生充分理解材料的成分和性能之間的關系。又比如講結構鋼的強度與脆性時，以“泰坦尼克號”巨輪沉沒事件為例分析。“泰坦尼克號”造船用的是當時最優質的鋼材，但卻在首航時受到冰山撞擊船體產生裂紋后在僅僅3個小時內就沉入海底，引起世人震驚。以該事件為例，引導學生思考“泰坦尼克號”在短短的幾個小時內沉沒的原因。講鋼的電化學腐蝕原理時，以格林太太口腔中的兩顆不同材質的金屬假牙導致頭疼為例，兩種不同的金屬與唾液構成了一個原電池產生了電化學腐蝕。重慶市綦江縣彩虹橋整體垮塌事故，其中一個原因就是主拱鋼管焊接存在裂紋、氣孔、夾渣等嚴重缺陷。針對消費者在使用某品牌菜刀拍蒜時發生菜刀斷裂的事件，引導學生思考菜刀發生斷裂的原因可能是由于制造菜刀的鋼韌性不足。菜刀是一種工具，工具鋼除了要有高的強度和硬度之外，還需要具有一定的韌性。引導學生思考要達到這樣的性能要求，工具鋼應怎樣進行成分設計及制定熱處理工藝。讓學生從具體的案例中去領悟材料的成分設計和加工工藝的重要性，培養學生嚴肅認真的學習態度。

除了實際案例之外，還可以采用文獻案例法。由于受到篇幅的限制，教材對具體鋼種的實際應用的例子較少，在講具體鋼種的應用時，可引用文獻說明。在講解滲碳鋼時，除了要讓學生了解滲碳是一種化學熱處理，掌握滲碳的原理和方法以及滲碳鋼的使用條件及性能要求以外，還需要了解滲碳零件在加工和使用過程中可能存在的各種問題。這里可以引用文獻說明，同時也可以讓學生自己查閱文獻，從文獻中去分析總結滲碳零件在加工和使用過程中可能存在的各種問題。例如滲碳鋼20CrMnTi被廣泛用于制造承受高速、沖擊及摩擦的重要零件，但在加工過程中存在開裂問題。文獻“20CrMnTi圓鋼加工開裂原因分析及改進措施”分析了導致加工開裂的原因來自煉鋼夾雜物、冷卻不均、軋鋼折疊等方面，并提出了改進措施[1]。通過文獻“國內外滲碳和滲氮工藝的新進展”了解滲碳和滲氮熱處理工藝在高溫滲碳、深層滲碳、高濃度滲碳、真空滲碳淬火、活性屏離子滲氮、不銹鋼固溶滲氮和不銹鋼的低溫滲氮和滲碳方面的發展，讓學生了解滲碳和滲氮熱處理工藝技術的發展前景[2-3]。高速鋼具有較高的硬度、耐磨性和紅硬性等，廣泛應用于高速切削刀具等。但是高速鋼中合金元素含量較高，由于合金元素的影響，其熱處理溫度較高，在熱處理過程中易產生過熱、過燒等熱處理缺陷導致高速鋼刃具出現斷裂等情況。研究高速鋼刃具的文獻很多，我們可以通過閱讀文獻進一步了解高速鋼的熱處理缺陷及其預防措施。如文獻“W6Mo5Cr4V2Al高速鋼麻花鉆斷裂原因分析”中分析了麻花鉆在熱處理過程中發生了過熱、過燒，導致基體內形成共晶萊氏體和大量網狀碳化物，冷卻時在表面形成較高的拉應力，當應力大于材料的斷裂強度時產生沿晶裂紋，在隨后的校正過程中，在外力作用下發生了斷裂[4]。不銹鋼是一類特殊性能的鋼種，在工業生產及日常生活中得到了廣泛應用。 鋼的腐蝕主要是電化學腐蝕，包括一般腐蝕、點腐蝕、晶間腐蝕和應力腐蝕，后面三種腐蝕不允許發生。一般情況下不銹鋼具有很好的耐蝕性是因為不銹鋼中含有大量的合金元素鉻，在鋼表面形成一層致密穩定的鈍化膜，但在加工或使用過程中仍然會發現有些不銹鋼制品會出現銹蝕的現象。比如某公司生產的430不銹鋼冷軋退火板用于洗衣機內筒的原材料，在加工成型的沖孔處發現部分銹蝕缺陷[5]。衛海瑞等通過金相組織觀察、夾雜物成分分析、缺陷形貌觀察以及成分分析等試驗分析了銹蝕產生的原因是由于鋼板沖孔處較大的變形使試樣表面的鈍化膜減薄或者破壞，工況環境中的氯離子穿透表面鈍化膜而引發銹蝕。因此在生產過程中應避免試樣長期處于潮濕介質中，可有效防止殘留氯離子破壞表面鈍化膜，顯著降低銹蝕缺陷的發生。王琳等[6]探究了304不銹鋼在淡化海水摻混水下的腐蝕行為，認為點腐蝕和由點腐蝕引起的均勻腐蝕仍是此環境下不銹鋼腐蝕的主要類型，腐蝕產物主要有γ-FeOOH、α- FeOOH(針鐵礦)、Fe3O4(磁鐵礦)、NiO和Cr2O3。奧氏體不銹鋼在一定的條件下容易發生晶間腐蝕，通過閱讀文獻“某220 kV變電站水管腐蝕開裂原因”可以進一步了解晶間腐蝕產生的原因及其危害[7]。該變電站水管材質為12Cr17Mn6Ni5N鉻錳不銹鋼，利用化學成分分析、顯微組織檢驗、斷口形貌分析、腐蝕產物形貌及能譜分析等試驗方法進行試驗分析發現，晶間腐蝕是造成水管腐蝕泄漏的主要原因，而介質中的氯離子進一步加快了管道的腐蝕速度。學生通過查閱文獻，可以更好地掌握不銹鋼產生腐蝕的原因及預防措施，加深對理論知識的理解和掌握。通過文獻 “超超臨界機組用HR3C奧氏體耐熱鋼研究進展”[8]、“釩微合金化鋼的技術進展與應用”[9]了解當今科技前沿的傳統材料的新應用、新材料、新理論、新技術等知識。同樣地，我們也可以采用文獻案例法幫助學生理解和掌握其他的知識點。

3 抓住主線，及時對知識點進行歸納總結

合金化原理是后續章節的理論基礎，是該課程最重要的章節，要求學生要很好地理解和掌握。講授這部分內容時可以采用思維導圖列出該章節的主要內容，讓學生一目了然。 讓學生理解合金元素與鐵、碳以及不同的合金元素之間的相互作用規律、理解合金元素對鐵碳相圖的影響規律，對這部分內容融會貫通。學習具體的鋼種時，以合金化理論為基礎，緊緊抓住一條主線：零部件的服役條件——性能要求——成分設計——強化工藝——組織結構——使用性能。如船舶用鋼屬于工程結構鋼，先要了解船舶的服役條件——通常受大氣和海水的浸蝕、還受到疲勞沖擊。在這樣的環境下工作，要求船舶用鋼要有足夠的強韌性、特別是低溫韌度和較高的疲勞強度，同時還要求有良好的焊接性、成型工藝性及良好的耐腐蝕性。要達到這樣的性能，需要從成分設計和強化工藝兩個方面考慮。成分設計上，可以考慮低碳、加入適量的合金元素提高強度；強化工藝方面可以采用熱軋控冷工藝。然后分析在所設計的成分和強化工藝條件下所獲得的組織結構能否滿足使用性能要求。如軸承鋼在高負荷、高轉速下工作，同時要求高靈敏度，因此要求軸承鋼具有高而均勻的硬度和耐磨性、高接觸疲勞強度、一定的韌性以及良好的尺寸穩定性和耐蝕性。要達到上述要求，則需要從冶金質量、化學成分和加工工藝三個方面考慮。冶金質量要求材質純凈和組織均勻；成分設計上采用高碳再加入適量的合金元素鉻、硅、錳和釩等合金化；采用淬火以后低溫回火進行熱處理強化。又比如刃具鋼受到彎曲、扭轉、剪切、沖擊、振動、摩擦等作用，要求具有高硬度、高耐磨性、一定的塑韌性。為了滿足性能要求，一般采用高碳結合鉻、硅、錳、鎢和釩等合金元素復合合金化，熱處理強化工藝采用淬火并低溫回火。鍋爐管道、緊固件、汽輪機轉子、葉片、排氣閥等在高溫下工作，同時還承受較大的載荷，還與高溫蒸汽、空氣或燃氣接觸，表面發生高溫氧化或氣體腐蝕。因此要求良好的高溫強度和塑性；足夠高的高溫化學穩定性，常采用鉻、鋁和硅等進行合金化。對每一個鋼種的學習都圍繞這條主線展開，抓住了主線，就能夠把零散的知識點有機地結合起來，可以更好地理解和掌握所學的知識。

在教學過程中要善于引導學生對所學知識及時歸納總結。學習合金化原理時，可根據合金元素在鋼中的存在形式進行分類歸納總結。合金元素可以以鐵基固溶體形式存在，可以與碳或氮形成碳化物或氮化物，合金元素之間還可以形成金屬間化合物，總結合金元素在每種存在形式下對鐵碳合金性能的不同影響。鋼中加入的合金元素種類很多，而且每種合金元素可能會在不同種類的鋼中出現，它們在不同鋼中的作用是不同的，需要綜合分析，比較它們的性能和用途。如合金元素鉻，可以在調質鋼、耐熱鋼、不銹鋼、軸承鋼以及模具鋼中出現，但是它們的作用卻不同。對于其它常用的合金元素硅、錳、鎢、鉬、釩、鎳等可以采用同樣的方法歸納總結。又比如同種牌號的鋼，采用不同的熱處理工藝可以獲得不同的組織，從而獲得不同的力學性能。如40CrNiMo鋼，淬火并高溫回火后可獲得優良的綜合力學性能，可作為調質鋼使用，而經過淬火并低溫回火后可獲得高強度，可作為超高強度結構鋼使用。我們還可以按照服役條件和使用性能的要求去歸納總結，相同的服役條件和使用性能要求，可以選擇哪些金屬材料，怎樣制定熱處理工藝等。通過歸納總結，可以把零散的知識點串聯起來，達到融會貫通的目的。

4 充分利用網絡資源

金屬材料的熱處理是獲得良好使用性能的重要保障，只有采用正確的熱處理才能獲得所需的組織和性能。而教材中鋼材的熱處理偏重于理論，內容較抽象，生產實例相對較少，學生理解有一定的難度。金屬材料常用的熱處理工藝“四火一化”，“四火”即退火、正火、淬火和回火；而“一化”指化學熱處理。雖然學生能夠從理論上理解“四火一化”的意義，但學習時仍然感到有點茫然，由于熱處理的時間都比較長，學生沒有條件去工廠實地參觀學習，因此，我們可以充分利用網絡資源，可以從網上下載各種熱處理工藝的實際操作視頻，讓學生身臨其境地熟悉各種熱處理工藝，幫助學生加深理解。

由于課程的課時有限，而需要講授的內容很多，不能在有限的時間內完成所有內容的教學。因此，除了傳統的線下課堂授課模式之外，還可以采用線上線下結合模式來教學。將需要拓展的內容錄制成教學視頻放到礪儒云課堂，同時將一些優質的網絡視頻也放到礪儒云課堂，讓學生在課后隨時學習。同時，在礪儒云課堂中針對每個章節的重難點都設置了課后小測驗，通過練習讓學生對每個章節的主要內容能很好地理解和掌握。還可以在每次課的前幾分鐘針對上次課的主要內容作課前小測，既可以讓學生集中精力也可以復習回顧之前的學習內容，提高學習效率。

5 結 語

金屬材料學所講授的所有金屬材料都與工程應用息息相關，因此這門課程的教學應該立足于金屬材料的實際應用，以培養學生解決實際問題的能力為目標。因此可以采用多種教學方法，授課內容不能僅僅局限于課本，要將理論知識與工程應用緊密聯系起來，使學生能夠正確認識和合理使用金屬材料，并能夠解決一些實際問題。