教學(xué)中的難題舉例

金屬材料與熱處理是一門專業(yè)性較強(qiáng)、理論抽象、概念較多的專業(yè)基礎(chǔ)課。如何在教學(xué)過程中充分調(diào)動(dòng)起學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)積極性，是教師的首要任務(wù)。如果能把那些抽象、難以理解的內(nèi)容，通過形象、具體恰當(dāng)?shù)呐e例加以表述，既能活躍課堂氣氛，又能激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，加深對(duì)疑難問題的理解，提高課堂教學(xué)的效果。下面就一些疑難問題舉例講述。

一、疲勞現(xiàn)象

許多機(jī)械零件都是在循環(huán)載荷的作用下工作的，如曲軸、齒輪、彈簧、各種軸承等。工作過程中，上述機(jī)械零件常常在它們的工作應(yīng)力低于制作材料的屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞現(xiàn)象。疲勞斷裂與靜載荷作用下的斷裂不同，疲勞斷裂是突然發(fā)生的，事先無明顯的塑性變形作為征兆，故而具有很大的危險(xiǎn)性。為什么會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象，學(xué)生普遍表示不理解。為什么呢？因?yàn)橥ㄟ^對(duì)拉伸曲線的分析，金屬材料斷裂前的最大應(yīng)力是抗拉強(qiáng)度，而屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)度的應(yīng)力值低于抗拉強(qiáng)度。應(yīng)當(dāng)講，在抗拉強(qiáng)度以下工作的零件是安全的。為此，在授課過程中舉一例：常見的自行車鏈條，一年兩年不損壞，但是三年后可能斷裂。這就是疲勞破壞，原因是制造這些機(jī)械零件的材料表面或內(nèi)部有缺陷，如夾雜、劃痕、尖角、軟點(diǎn)、顯微裂紋等。這些地方的局部應(yīng)力大于屈服點(diǎn)，在循環(huán)載荷的反復(fù)作用下，產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨應(yīng)力循環(huán)周次的增加，疲勞裂紋不斷擴(kuò)散，使零件的有效承載面積不斷減小，最后達(dá)到某一臨界尺寸時(shí)突然斷裂。

二、晶格畸變現(xiàn)象

在前面課程的講解中，我們將金屬原子的規(guī)則排列抽象化，引出了晶胞晶格的概念。當(dāng)金屬原子那樣排列時(shí)，內(nèi)部原子的排列是非常整齊的，一點(diǎn)兒缺陷都沒有。但是，像這樣理想的晶體，在自然界中幾乎是不存在的。在實(shí)際使用的金屬材料中，由于加進(jìn)了其他種類的外來原子以及材料在冶煉后的凝固過程中受到各種因素的影響，使本來該有規(guī)律的原子堆積方式受到干擾，不像理想晶體那樣規(guī)則。晶體中出現(xiàn)的各種不規(guī)則的原子堆積現(xiàn)象成為晶體缺陷，即實(shí)際晶體中原子排列的不完整性。

常見的晶體缺陷有空位和間隙原子、置代原子、位錯(cuò)、晶界和亞晶界等。由于晶體中存在上述的結(jié)構(gòu)缺陷，因此會(huì)造成晶格發(fā)生畸變，引起塑性變形抗力的增大，從而使金屬的強(qiáng)度提高。但學(xué)生覺得上述晶體缺陷，難與金屬強(qiáng)度的提高聯(lián)系起來。

于是舉例如下：班內(nèi)每個(gè)同學(xué)相當(dāng)于原子，整個(gè)班集體就好比晶格，“空位”相當(dāng)于缺勤的同學(xué)，“間隙原子”相當(dāng)于班內(nèi)的某位同學(xué)未安排到整齊的座位去坐，“錯(cuò)位”相當(dāng)于幾位同學(xué)位置錯(cuò)排……這樣一來，這個(gè)班集體還能是一個(gè)平衡、穩(wěn)定的集體嗎？是不是這個(gè)班集體出現(xiàn)了缺陷？同學(xué)們一致回答“是”。

接下來，筆者請(qǐng)兩位學(xué)生到黑板前，讓他們分別畫出理想狀態(tài)下的體心立方晶格和有“學(xué)生缺勤、亂坐座位”的體心立方晶格。兩位同學(xué)的表述完全準(zhǔn)確，尤其是第二位同學(xué)畫出的有缺陷的A結(jié)果。晶界、亞晶界的存在，也會(huì)造成晶格畸變。這是由于實(shí)際金屬為多晶體，是由大量外形不規(guī)則的小晶體即晶粒組成。晶粒與晶粒之間的接觸界面稱為晶界。這些晶粒之間由于結(jié)晶時(shí)的位向不同，晶界處的原子排列是不規(guī)則的，即使在一顆晶粒內(nèi)部，其晶格位向也并不像理想晶格那樣完全一致，而是分隔成許多尺寸很小、位向差也很小的小晶塊，這些小晶塊即為亞晶粒，其界面為亞晶界。晶界、亞晶原子排列紊亂，具有抵抗塑性變形的能力，即也能使金屬的強(qiáng)度提高。綜上所述，金屬材料強(qiáng)度的提高，是與金屬晶體的實(shí)際缺陷，即“晶格畸變”有著直接關(guān)系。

三、過冷現(xiàn)象

純金屬都有一個(gè)固定的結(jié)晶溫度（或稱凝固點(diǎn)）。純金屬的結(jié)晶過程總是在恒定溫度下。這是由于金屬是晶體，其內(nèi)部原子是按一定規(guī)律排列的，金屬結(jié)晶成晶體的溫度和冷卻速度有著非常密切的關(guān)系，冷卻速度決定結(jié)晶溫度。一般情況下，冷卻速度越快，結(jié)晶溫度越低。我們把金屬在緩慢冷卻時(shí)的結(jié)晶溫度稱為理論結(jié)晶溫度。而在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬的冷卻速度不可能非常緩慢，總是在一定的冷卻介質(zhì)中以一定的速度進(jìn)行冷卻。

因此，實(shí)際發(fā)生結(jié)晶的恒溫溫度總要比理論結(jié)晶溫度低，我們把這種金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱為“過冷”現(xiàn)象。學(xué)生往往不明白，為什么冷卻速度快了，金屬的結(jié)晶溫度就低了呢？筆者給同學(xué)們舉了一個(gè)這樣的例子：這就像體育比賽短跑項(xiàng)目一樣，當(dāng)你使用全身的力量跑向終點(diǎn)線時(shí)，會(huì)超過終點(diǎn)線一段才能停下來。而你如果緩慢地步行到終點(diǎn)線時(shí)，你會(huì)很自然地立即停下來。

（作者單位：蔚縣勞動(dòng)技工學(xué)校）