本站原创【关键词】工程材料；教学；改革
《Engineering material 》the study of teaching method
Yu Jing-cheng，Li Yao，Luo De-jun
【Abstract】《Engineering material 》BE the university and college machine each with near machine profession the technique foundation of a required door of the student lesson， should course concept many， word many， technical term many， theories description many， therefore， in the teaching， how exaltation student study interest， exaltation teaching quality， development student's hing craft knowledge， engineering fulfillment ability be the key of teaching.This text summary the writer is in the teaching the fulfillment of some realize， aim at a course characteristics， how outstanding teaching lord line， establishment content of course of close contact， reform experiment teaching method's etc. carried on discussion.
【Key words】Engineering material；Teaching；Reform
一、突出主线，构建铁碳合金材料基本相、组织间的和谐关系
同学们在学习工程材料课程中，往往前后内容联系不起来，不能做到前后贯通，觉得课程结构非常松散，再就是课程中需要记忆的东西太多，名词多且易混淆，特别是难以掌握铁碳合金的基本相、平衡组织、非平衡组织（铁素体、奥氏体、渗碳体、马氏体、贝氏体、珠光体、索氏体、屈氏体、回火索氏体、回火屈氏体、回火马氏体等）。本门课程以材料的成分、组织、性能之间的关系为主线，课程主要内容包括有：材料的晶体结构、铁碳合金的平衡组织、铁碳合金的非平衡组织、钢的热处理工艺、材料的种类及选用，材料的结构、组织是后述热处理工艺的理论基础，材料的选用及工艺路线的安排就是前面所学知识的一个综合运用的过程，环环紧扣。所以，教学中，须突出主线，理顺关系，帮同学们建立起课程前后内容的紧密内在联系，夯实基础理论。在铁摘自：毕业论文格式字体www.udooo.com
碳合金相关内容部分，基本相、组织前后内容贯通的关键点要牢牢抓住铁的同素异构转变，即γ-Fe α-Fe（δ-Fe略），它是前后内容联系的纽带。铁碳材料合金化时，铁和碳有二种结合方式，即铁碳形成金属化合物；另一种是碳溶入铁中形成固溶体。所以，铁碳合金的基本相有（δ铁素体略）：铁碳除了形成金属化合物Fe3C外，因铁有异构体，所以碳分别溶入γ-Fe、α-Fe可以形成二种不同结构的固溶体，奥氏体和铁素体，其中奥氏体、铁素体的结构分别对应γ-Fe（面心立方）、α-Fe（体心立方）的结构，其性能都为强度低、塑性好的相（δ铁素体略）；而渗碳体相具有复杂斜方结构，塑性、韧性几乎为零，硬度高（800HV），是铁碳合金的重要强化相。由于室温下铁以体心立方的α-Fe形式存在，所以铁碳合金在室温下的组织是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，其性能是组成相铁素体、渗碳体性能的算术平均值。为了便于学生形象的理解，可以把由铁素体、渗碳体组成的机械混合物比喻为水泥和沙子的混合物，其中水泥相当于铁素体相，沙子相当于渗碳体在混合物中起强化作用。这样，通过抓住铁的同素异构转变这个载体，将晶体结构的内容与铁碳合金的相结构、组织内容就有机联系起来，便于同学们理解并掌握铁碳合金中的基本相（A、F、Fe3C）的构成、铁碳相图以及铁碳合金的性能随成分变化的规律，并为学习钢的热处理工艺打下基础。热处理是将钢在固态下加热，保温和冷却，以改变钢的组织结构，从而获得所需性能的一种生产工艺。热处理之所以能改变钢的性能，其原因在于钢在加热、冷却中其的组织相应发生转变，而钢的组织发生转变的根本原因还是铁的同素异构转变γ-Fe α-Fe。对于共析钢而言，加热时铁发生同素异构转变即： α-Fe γ-Fe，对应的组织转变为：F（碳在α-Fe中的固溶体）+ Fe3C A（碳在γ-Fe中的固溶体）、而冷却时铁又会发生：γ-Fe α-Fe，对应的平衡组织转变为：A（碳在γ-Fe中的固溶体） F（碳在α-Fe中的固溶体）+ Fe3C 。加热、冷却转变包含两个过程即结构转变和铁、碳原子的扩散。在非平衡冷却时，结构转变不受影响，而原子的扩散会由于冷却温度不同受到不同程度的抑制，所以，冷却时除了形成完全扩散的P（F+ Fe3C）外，当冷却温度较低时，铁、碳原子都不扩散，形成非扩散的马氏体（M）组织，A（碳在γ-Fe中的固溶体） M（碳在α-Fe中的过饱和固溶体），其含碳量与奥氏体的相同；以及当冷却温度在550℃—MS间，原子扩散受到部分抑制，只有碳原子扩散而铁原子不扩散，形成的贝氏体（B）组织，A（碳在γ-Fe中的固溶体） （碳在α-Fe中的过饱和固溶体） + Fe3C，即贝氏体。热处理工艺之所以能提高钢的性能，就是围绕改变铁碳合金中的基本相铁素体、渗碳体相的性能、大小、形状、分布来实现的，它通过把钢的基体铁素体（喻为水泥）转变为马氏体（M）基体，同时改变强化相渗碳体（喻为沙子）的形状、大小、分布，由网状、片状的改变为球状和细粒状且均匀分布在基体上（相当于打碎大的石块，把沙子筛细且与水泥均匀混合在一起。）。这样，抓住铁的同素异构转变这个桥梁，就能便于同学们理解并很好的掌握铁碳合金的基本相、平衡组织、非平衡组织的构成及热处理工艺中组织转变规律，分清钢的不同组织，理顺它们之间的联系及区别，把工程材料课程的前后内容贯通，为学习其它内容打下良好的理论基础。
2. 突出重、难点内容，精选生产实例，提高课堂教学效果
讲课中，主线明确、前后内容打通后，同学们很容易建立本门课程的一些基本概念及理论基础。在有限的课堂教学中，还须突出重、难点内容，不断归纳，使学生全面掌握课程教学内容。其中铁碳相图、C曲线、热处理工艺等内容无疑是本门课程较为重要的也是同学们在学习中反映较难以掌握的内容。铁碳相图是研究铁碳合金的工具，是讨论铁碳合金成分、平衡组织、性能间关系的理论基础；C曲线主要讨论了铁碳合金非平衡冷却时的组织转变规律，它们都是制订各种热处理工艺的依据；热处理工艺（即4把火，退火、正火、淬火、回火）是前面两重点内容在改善钢的性能方面的具体应用过程。铁碳相图的教学中，在建立相区分析方法的基础上，牢牢抓住铁碳合金的相结构特点及铁的同素异构体转变这个载体，进行相区分析；讲清两条水平线上反应（共晶、共析反应）的成分、温度条件，在此基础上，同学们自然就很容易掌握不同成分的铁碳合金的结晶过程的分析，并得出正确的结论。热处理工艺属于实践性较强的内容，课堂教学中，由于学时的限制，不可能列举太多的实例，须精选那些既能说明问题，又能开拓同学们眼界的典型案例。例如，在讲到碳素工具钢热处理淬火、回火工艺时，笔者选择了某自行车厂用T10钢制作Φ5.2×60mm冲头的热处理工艺为例。先请同学们据所学知识，制订出该冲头的热处理工艺。T10钢属于碳素工具钢，其Ac1、Accm分别为730℃、800℃，冲头是一典型的模具零件，要求高的硬度（58-63HRC）、高的耐磨性及足够的韧性。要达到上述性能要求，同学们据碳素工具钢正常淬火工艺（Ac1+30-50℃）及随后采取低温回火的热处理工艺原理，制订出具体的工艺即：760℃盐水淬火，180℃回火的工艺规范，最终使用状态的组织为：回火马氏体+ Fe3C粒+少量的残余奥氏体。但生产中发现，据此工艺制作的冲头，寿命不足1000件，失效的主要形式是折断。这是为什么呢？经讨论，我给出了实际生产中改进的工艺：880℃×3min盐浴加热，油淬，360℃×1h回火，再重新加热77摘自：学年论文格式www.udooo.com
0℃×3.5min，盐水冷却，260℃×2.5h回火，最终使用状态的组织还是：回火马氏体+ Fe3C粒+少量的残余奥氏体。但采用改进的工艺后，模具寿命提高到7000-14000件。工艺改进的目的是要在保持冲头高硬度、高耐磨性能的前提下，提高其韧性，防止折断。断裂物理的研究表明，在高碳钢中，裂纹的萌生常发生于基体马氏体与碳化物的界面处，钢中粗大的碳化物与基体马氏体之间结合力很差，可以看成是裂纹萌生并扩展的策源地，所以，在高碳钢中，通过得到细小、均匀的碳化物分布与形态，能实现较高的强韧化效果。改进工艺，880℃×3min盐浴加热，能使碳化物尽可能多的溶入到奥氏体中；360℃×1h回火，提高回火温度，使马氏体中的碳化物弥散析出，获得细粒状珠光体和均匀细小的碳化物，为最终淬火作组织准备；770℃×3.5min加热淬火时，原均匀细小的碳化物，既可成为结晶核心，又可防止长大，因而淬火后得到细小的马氏体和弥散的碳化物。前后工艺的主要差异在于，最终组织中碳化物的来源不同，前者来源于球退，而后者来源于经880℃×3min、 360℃×1h回火的工艺中，从马氏体中弥散析出的碳化物，它比前者更细小、分布更均匀，所以改进工艺后，模具寿命得到提高。此改进工艺，实际上是一种淬火时细化碳化物的常用工艺，要求同学们课后通过自学掌握其它细化碳化物的工艺。通过该案例讲解，不仅使同学们掌握了碳素工具钢的常规热处理工艺，同时开阔了他们的眼界，增加了学习的兴趣，对热处理工艺能提高材料性能的意义有了更进步的理解，特别是对热处理工艺中通过改变强化相渗碳体（沙子）的形状、分布，由网状、片状的改变为球状和细粒状且均匀分布在基体上（相当于打碎大的石块，把沙子筛细）来实现钢性能的改善以及细晶强化、弥散强化有了深刻的体会。3. 多媒体与板书教学相结合
工程材料教材，现在一般都配有课件。要充分利用课件在课堂教学中的优势，但又不能一味的照搬课件内容，偏废传统的板书教学方式，须根据教学内容的需要，进行适当的取舍，做到多媒体与板书教学优势互补。课件中有大量的图形、动画、视频内容，可以节约课堂教学的宝贵时间，同时，信息量大，生动，可以把生产车间的实际场景搬进教室。例如，在讲授工程材料绪论课时，利用大量的音像资料，向同学们展示各种材料在天上飞的（如飞机、航天飞船）、水中游的（如军舰、潜艇）、地上跑的（如汽车、火车）等方面的应用以及各种新型材料的研究及应用（形状记忆合金、超塑性材料、纳米水与汽油的互溶、石墨烯材料等），大量的事例通过视频资料全方位、立体的呈现在同学们面前，能够充分激发他们学好本门课程的热情，使同学们更好的领会“材料作为现代技术的三大支柱之一”这句话的深刻含义；又如在讲授到金属结晶的基本过程内容时，通过放映金属结晶过程的影像，把结晶中的形核、长得两个基本过程以及树枝晶的生长过程清晰直观地表现出来。多媒体教学，它与传统的板书教学效果相比具有很大的优势。但在这种方式的教学中，学生容易养成被动接受的惰性，大量的信息来不及思考和消化；同时，教师与同学间缺乏必要的沟通，所以，在实际教学中，须根据教学内容的需要，充分发挥板书教学方式的优势，特别是重难点内容的讲授时，更是如此。例如，铁碳相图，它无疑是本门课程较重要和同学们难以掌握的内容（为了便于将来应用，要求同学们能够默画铁碳相图）。在讲授铁碳相图时，如果用多媒体直接给出相图，非常直观，也能节约画图时间，而相图中各相区分布、特性点、特性线、各成分铁碳合金所对应的组织等内容，信息量太大，同学们没有一个铺垫缓冲的过程，来不及思考、充分消化，难以全面掌握，效果反而会不好。笔者选择在黑板上徒手画出铁碳相图（实际上也仅需几秒钟），同学们可以从老师完成绘图过程中，对铁碳相图的形状特征（两条水平线，一个共晶反应、一个共析反应）有一初步了解，对图形中的特性点、相区分布等知识有一个逐步熟悉掌握的过程，教师再与同学们一道利用相图分析的一般方法及铁碳合金相结构的特点，一一分析并填写出所画图形中对应相区的相、成分、温度等信息，由小到大，由相图的局部再到相图的整体。有了这样一个过程后，当学生们自己画图时，铁碳相图的形状特征、相区的分布、特性点等内容才能了然于心，才能逐步掌握铁碳相图并能很好的运用之。总之，在实际的教学中，要结合教学内容的特点，合理选择运用两种教学方式，充分发挥各自的优点，以提高教学效果。4. 改进实验教学方法，努力提高同学们在实验中的积极性和主动性
《工程材料及热处理》是一门理论性和实践性都很强的专业基础课，其中很多基础理论和基本知识是通过实验并总结了实验的规律而建立起来的。所以，实验是工程材料课程课堂教学不可或缺的一个重要的环节。在教学安排中，该课程的实验一般都安排有：铁碳合金平衡组织观察实验、钢的热处理及硬度测定这两个实验。铁碳合金平衡组织观察实验，能使同学们认识和熟悉铁碳合金平衡组织状态下的显微组织特征，熟悉金相显微镜的应用；而钢的热处理及硬度测定实验，能使同学们熟悉碳钢的几种基本热处理（退火、正火、淬火及回火）操作方法，了解成分、加热温度、冷却速度、回火温度等因素对热处理后性能（硬度）的影响，熟悉硬度计的使用。一直以来这些实验在教学中所发挥的作用和意义是毋庸置疑的。笔者曾遇到过这样一事例，给我留下了深刻印象。某企业外购的球墨铸铁铸件，在切削加工中，有师傅提出，该批铸件不是球铁材料，而是灰铁的。此问题因涉及的可能不仅仅是产品质量及性能问题，说不定还有经济问题在里面。所以，引起了广泛的注意。那么，到底是球铁材料的还是灰铁的呢？问题一层一层反映到设备处，还是无法判定、解决。后设备处联系到我们，笔者通过显微组织观察，很快就给出了确切的结论。该企业在当时属于一比较大的单位，机械类大学生、甚至研究生也大有人在，他们在校学习期间，肯过显微组织观察实验，企业也有相应的实验设备，面对如此简单的问题，为什么就没人提出解决问题的办法呢？这件事，引起了笔者的思考，同学们在校学习期间，显微组织的观察实验曾经做过，但遇到实际问题时，却无法解决，显然，实验教学的效果不甚理想。看来，须对工程材料课程实验方案进行改进。在充分利用现有的实验设备和条件基础上，改进已开设的实验方案，以提高同学们在实验中的主动性和参入入手，去提高实验效果。原铁碳合金平衡组织观察实验是这样安排的，老师准备好各种成分的铁碳合金试样，同学们调好显微镜依次进行观察，实验中，同学们由于仅对已知的铁碳合金的不同成分组织进行了对号入座的验证，容易走马观花，流于形式，懒得思考，被动接受实验结果，主动性不强，参入积极性不高，对整个实验方法的意义没有深入的了解，往往印象不深，当遇到实际问题时，无从下手，到后来的实际生产中还是无法独立应用，实验效果不甚理想。后来，我们针对上述情况，对该实验进行了调整，把铁碳合金平衡组织的观察实验，改成在平衡状态下，不同铁碳合金材料间的鉴别（如20、45、T12、KTZ450-06、QT400-15、HT150等）。实验前要求同学们，提出实验方法，拟好详细的实验步骤，最终把各种材料给区分出来。改进后，实验的设备、材料、课时等条件都没有变化，仅将实验讨论问题的角度进行了转变（由验证问题变为通过所学知识解决问题），增加了源于：论文封面格式www.udooo.com
同学们在实验中的自由度，从提高他们参入实验的入手，去提高实验的效果。改进实验方案后，同学们，会主动地去查阅相关资料，并结合所学知识，比较各种可行方法，独立制订出实验方案、详细的实验步骤以及试样制备、试剂的选用等实验细节，在这个过程中，他们会从运用所学知识解决实际问题的角度，积极投身入实验，去比较各种可行方案，主动思考、归纳所学知识，通过实验，认识并真正掌握这一实验方法的全部细节及过程，当以后的工作中碰到类似的问题时，才能自己动手，独立设计并顺利完成所需检验。在“钢的热处理及硬度测定实验”中，我们也进行了类似的改进，效果也非常理想。总之，在实验方案的设计中，需充分调动同学们的兴趣，从被动接受验证已知结果，到积极探索以解决实际问题，转变他们在实验中的角色，从而真正达到实验教学效果。参考文献
于永泗，齐民.机械工程材料.大连理工大学出版社，2010
王顺兴.金属热处理原理与工艺.哈尔滨工业大学出版社，2009
[3] 康俊远.模具材料与表面处理.北京理工大学出版社，2012
【作者简介】余竞成（1964），男，硕士，副教授，主要从事工程材料研究；罗德军，男（1966），实验师，主要从事材料热处理研究；李尧（1957），男，博士，教授，研究方向为金属的性能、电致塑性及合金化。
【基金项目】本文系2009年教育部资助项目“特色专业办学理念及其特色建设研究”的研究成果之一。（项目批准号：09YJA880055）