《金屬材料與熱處理》課程難點

摘 要：在《金屬材料與熱處理》的教學中，疲勞的知識點是不好講、同時也是不好懂的一個教學難點。恰當地進行教學設計，能夠極大限度引發學生的學習興趣、調動學生的學習積極性，收到很好的教學效果。

關鍵詞：金屬材料與熱處理 難點 疲勞 教學設計

中圖分類號：TG1 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）01（c）-0045-01

《金屬材料與熱處理》是一門專業性較強、理論抽象、概念較多的專業基礎課。故而，學生在學習起來會感到枯燥乏味，加之很多概念確實比較抽象，很多現象確實比較復雜，非常難于理解，教學難度比較大。特別是近年來，由于技工學校學生的生源基礎普遍較差，更有越來越多的學生來自農村，他們對于機械加工行業、對于金屬材料缺乏基本的感性認知。如何在教學過程中引起學生的學習興趣、激發學生的求知欲、充分調動學生對本課程的學習積極性，是作為任課教師必須完成的首要任務。

筆者在多年的一線教學實踐中，發現對那些抽象、乏味、枯燥的難點，通過精心的教學設計，既能活躍課堂氣氛，又能引發學生的學習興趣，對難點容易理解。從而提高課堂教學質量，收到很好的教學效果。下面就筆者在教學過程中，對金屬的疲勞這個難點的教學設計，做如下闡述。

1 關于疲勞現象以及疲勞的危害的講解

機械零件都是在不同的載荷作用下工作的，這些工作載荷有靜載荷、沖擊載荷和循環載荷，其中循環載荷的作用最為復雜。在循環載荷的作用下的機械零件占有相當大的比例，例如曲軸、齒輪、彈簧、各種軸承等。在工作過程上中，上述機械零件常常在它們的工作應力還低于屈服點或屈服強度，甚至于還沒有達到比例極限的情況下就會發生斷裂，這種現象稱為金屬的疲勞。它的衡量指標是通過疲勞試驗得到的。

疲勞現象的工作載荷是循環載荷或稱交變載荷，在這種載荷作用下發生的斷裂破壞與零件在其它載荷作用下發生的破壞不同，不管是韌性材料還是脆性材料，疲勞破壞都是突然發生的，事先沒有任何明顯的塑性變形為征兆，故而有很大的隱蔽性和危險性。

2 對于學習疲勞現象時學生的反應及成因的思考

為什么會出現這種金屬的疲勞現象，學生普遍表示簡直不可思議，有的學生根本就是不相信，特別是那些又調皮又聰明的學生，他們甚至會在下面用出怪聲來表示自己的不屑。

對于學生的這種反應，其實這也是可以理解的事情。因為在講解金屬的力學性能部分的內容中，學到了F——△L曲線。通過對曲線的分析，學生們已經知道金屬在靜載荷作用下，隨著載荷的不斷增加會發生變形：彈性變形、再是塑性變形；然后發生屈服現象，此時的工作應力是屈服點；當載荷增加到一定數值，達到了材料斷裂前所能承受載荷的最大值，也就是工作應力達到了材料抗拉強度，材料才會發生斷裂破壞。然而發生疲勞破壞的材料的工作應力數值小于屈服點，也就是說還沒有達到抗拉強度，就發生斷裂破壞了，所以此時學生困惑多多。

3 如何解決疲勞現象的教學難題

對于疲勞現象，應當在通疲勞試驗來測定衡量疲勞的指標的。可是我們是沒有條件進行試驗，連老師試驗讓學生們觀看都做不到，更談不上讓學生們自己動手通過試驗來直觀地學習；再加之學生們的知識理解還停留在F——△L曲線上，對于疲勞的學習確實很困難。

為了解決這個難題，我在講課過程中，首先，我向學生展示了我在備課時做的兩個課件，來說明疲勞現象的真實性和獲得衡量指標的方法。

第一個課件，展示一個真實的戰例——

在第二次世界大戰中，當時法西斯德國派出數量很多的轟炸機，對英國本土頻頻轟炸。英國皇家空軍也派出多駕裝備精良的戰機進行空中攔截，雙方勢均力敵戰況相當慘烈。然而，在不長的一段時間內，意想不到的事情發生了：英國的戰機經常會突然與監測系統失去聯系，神秘失蹤后相繼墜落、機毀人亡。英國軍方對此展開嚴密調查，但對墜落戰機的檢查結果是：德國發明并使用了一種在當時世界上最先進的武器，這種武器具有遠程隱身性而且殺傷力極強。因為讓人難以置信的是：在戰機的殘骸上，沒有任何彈痕，也沒有任何被攻擊破壞的跡象。對此，甚至還有人說，是德國有能力操控外星人、用超地球人的力量在與英國作戰。一時重重迷霧、眾說紛紜，一片恐慌。面對這種情況，英國不得不進行大規模、多層次的深入調查和科學實驗，最后終于發現問題無一例外地出現在飛機的發動機上。這些事故飛機的發動機內部零件所用材料都是同一批次，這些材料都發生了疲勞現象，工作應力遠遠小于抗拉強度，從而出現了程度不同的疲勞破壞。到這時迷霧散去，真相大白。

這個課件，雖然在制作上畫面有些笨拙粗糙，但完全可以還原二戰場景，這樣既抓住了學生的注意力——認定了現象的真實性，確實有這樣的事情；又引起了學生的求知欲——為什么會這樣呢？疲勞到底是怎么回事？

這時再適時地展示第二個課件。就是可以獲得衡量指標的疲勞試驗——課件從試樣的準備、試驗機的構造、試驗原理、試驗過程以及疲勞曲線的取得，全部過程都直觀、形象地展現出來，讓學生們能夠一目了然地看到了結果。

其次，在課件演示以后，課講到這里，還要用到實物和照片，來增加學生的興趣鞏固學習效果。

先拿出準備好的做疲勞試驗的試樣；再拿出發生了疲勞破壞的零件的實物——可以戲稱這就是英國皇家空軍的飛機殘骸；再用疲勞斷口的照片；最后用疲勞斷裂宏觀斷口示意圖的掛圖。這樣實物、照片、掛圖相互參照，一步步講解疲勞策源地、擴展區等，再說明疲勞現象是與材料的表面狀態、組織結構、夾雜物分布、劃痕、尖角、顯微裂紋等這些材料表面和內部缺陷有關。這些地方的局部應力大于屈服點，在循環載荷的反復作用下，產生疲勞裂紋，并隨循環次數的不斷增加，疲勞裂紋不斷擴散，使零件的有效承載面積不斷減少，最后達到某一臨界尺寸時，這一截面的工作應力是會大于抗拉強度的，這時就會突然斷裂。

通過這樣的教學設計，學生們非常信服，很容易就明白了，而且全神貫注、饒有興致地掌握了這一教學上的難點。

參考文獻

[1]吳恒藝.如何培養學生學習《金屬料與熱材處理》的興趣[J].科技信息，2010（5）：212-218.

[2]張建軍.《金屬材料與熱處理》課程教學方法探析[J].科教新報（教育科研），2010（19）.

[3]孟靈，沈鋒.淺談高職《模具材料與熱處理》課程教學[J].才智，2011（12）.