以铁碳合金为主线的金属学与热处理课程教学探讨

2019-10-18 08:54朱守琴王玉勤陈宇
黑龙江教育·理论与实践 2019年8期
关键词:教学思路

朱守琴 王玉勤 陈宇

摘要:基于金属学与热处理课程的性质及特点,文章在理论教学方面对教学内容进行了合理的模块化归纳,注重了专业课间的联系;在实践教学方面,以铁碳合金金相试样的制作与组织观察为核心,将验证型实验与综合型实验进行了合理的搭配。文章通过对理论教学和实验教学的探讨,提出了以铁碳相图为主线、成型为背景的教学思路。

关键词:金属学与热处理;铁碳相图;教学思路

一、引言

金属学与热处理是面向冶金及热加工类专业开设的基础专业课,也是面向材料类专业开设的核心专业课,是工科学生从事专业工作的必学课程之一。本课程抽象概念多,例如:晶格、柏氏矢量和变态莱氏体等。同时,课程内容也相对多,涉及面较广,包括金属学、塑性变形和热处理等内容。以本校为例,在学习本课程之前或者同时要学的课程有画法几何、大学物理、材料力学等,而这门课的后续专业课又有材料成型原理、塑料成型工艺及模具设计、铸造工艺学等,本校的定位是培养地方应用型人才,因此这门课程的名称是工程材料及金属工艺学,注重的是工程材料的应用,而铁碳合金是工程材料的主要组成部分。因此,可以说学好铁碳合金是学好工程材料及金属工艺学的关键,是掌握大部分工程材料性能的基础。性能包括使用性能和工艺性能两方面,铁碳合金的性能具有一定的规律性。本课程中的铁碳合金及铁碳相图的理论学习和实践操作能够让学生理解材料科学研究的四要素(性能、组织结构、化学成分、加工工艺)及相互之间的关系,即组织结构决定性能,而化学成分和加工工艺决定组织结构,为后续的专业课的学习打下基础。

二、理论教学

根据这门课程前后的内容分布的关系,现将金属学与热处理这门课分为两个部分,具体内容如图1、图2所示。从图中可以看出铁碳合金可以作为金属学与热处理这门课理论知识的应用,也能反过来通过铁碳相图来解释和说明这门课的理论知识。铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具,铁碳合金是应用广泛的工程材料,因此学好铁碳相图是从事各类加工和热处理工作的基础。

根据我校的办学定位目标——地方应用型高校,满足“厚基础,宽口径,高素质、强应用”的专业要求,结合我校材料成型及控制工程的专业培养方案,工程材料及金属工艺学这门课总共54课时,理论42课时,实验课12课时,由于这门课内容多,为了达到预期的效果,教学必须要做到重点突出,难点选学。由于这门课的概念抽象需要用具体的实例来讲解,而铁碳合金是最常见的工程材料,所以整个课程以铁碳合金为主线。理论课时具体按下面表1安排。

其中重点知识点是:第一,典型金属的晶体结构;第二,晶体缺陷;第三,金属结晶条件及晶核长大规律;第四,二元合金相结构与结晶;第五,铁碳相图分析及应用;第六,塑性变形及再结晶;第七,钢的热处理原理。难点是:第一,典型金属晶体结构及相关计算;第二,二元相圖的表示方法和分析方法;第三,铁碳相图点线区的意义、平衡结晶过程及其灵活应用;第四,塑性变形机理及再结晶机制;第五,钢的热处理原理。对于重难点的讲解多运用实际例子,也要与前后内容联系。例如,位错的讲解,位错作为线缺陷,是晶体结构的重点,也要与金属的塑性变形相互联系,在讲解时要注意讲解位错作为一种晶体缺陷,是理想晶体结构的缺陷,但是在实际应用中,位错会产生位错强化,对工程材料的强化起到了重要的作用。这样学生更能将前后内容融会贯通,并且能将理论知识与实际的工程材料联系起来。

三、实践教学

本课程是专业课,必须通过实验来验证理论,通过实践来加深认识,因此,实验教学是本课程重要的教学环节之一,占有极其重要的地位,是理论联系实际的重要手段,也是学生掌握抽象理论的不可或缺的方法。本课程试验是12个课时,安排三个验证型试验和三个综合型试验,具体的实验安排及实验内容见表2所示。

实验一是硬度测量实验,用两种不同的方法测量试样的硬度,目的是了解硬度测定的基本原理及应用范围,熟悉布氏、洛氏硬度试验机的主要结构及操作方法,验证理论课中硬度的概念,主要的实验器材如图3的a、d所示。实验二是金相显微镜的使用实验,目的是掌握光学显微镜的构造和实际操作方法,为日后观察金相试样打好基础,即为实验三、实验四做好准备,具体的实验器材如图3的b所示。实验三是金相试样的制备实验,目的是了解制备金相试样常用的设备、工具,初步掌握金相试样的制备过程和方法,具体的实验器材如图3的b、c所示,这个实验是分析材料的基础操作,为材料的分析打下基础。实验四是铁碳合金平衡组织观察,目的是让学生了解铁碳合金在平衡状态下的显微组织,分析成分对铁碳合金显微组织的影响,从而理解成分、组织与性能之间的相互关系,主要的实验器材如图3的b所示。实验五是低碳钢拉伸实验,目的是测定碳钢的屈服极限σs、强度极限σb、延伸率δ、断面收缩率ψ,观察拉伸过程中的各种现象,自动生成并打印拉伸图(P-△L曲线)。主要的实验器材如图3的f所示。实验六是热处理实验,目的是了解碳钢热处理操作,试退火、正火和淬火等热处理前后45号钢的硬度,观察退火、正火和淬火等热处理前后45号钢的相和组织,推测相与硬度之前的关系,主要的实验器材如图3的e、a、b所示。

四、结论

金属学与热处理作为专业课,内容繁杂、概念抽象,但实用性很强,学好这门课必须立足理论知识,结合实验,才能融汇贯通。文章结合金属学与热处理的课程地位,将教学分为理论教学和实践教学,以铁碳合金为主线,让理论知识深入浅出。

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