測定45號鋼韌脆轉變溫度的實驗教學方案設計

耿紅霞，趙玉津，吳心如，謝惠民

（清華大學航天航空學院，北京 100084）

測定45號鋼韌脆轉變溫度的實驗教學方案設計

耿紅霞，趙玉津，吳心如，謝惠民

（清華大學航天航空學院，北京 100084）

以45號鋼為研究對象，設計了系列溫度沖擊實驗教學項目，讓學生獨立地設計實驗方案，獨立完成實驗操作。測定了45號鋼在一個溫度范圍的沖擊吸收功，并且結合斷口的微觀形貌測定了該材料的韌脆轉變溫度為－48℃，培養(yǎng)和增強了學生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力。

沖擊實驗；韌脆轉變溫度；實踐能力；實驗教學

系列溫度沖擊實驗是測定金屬材料的韌脆轉變溫度的重要方法，材料的韌脆轉變溫度決定了材料的低溫韌性，它直接限定了材料在實際工程中的使用范圍和安全性［1－2］。我們以45號鋼為研究對象，開展了韌脆轉變溫度測定的教學實驗項目，精心設計了實驗教學項目、教學目的和方法、教學內容。本實驗教學項目充分發(fā)揮學生的主觀能動性，包括獨立控制和實現(xiàn)實驗溫度、獨立判斷溫度間隔合理性，以及獨立運用基本實驗技能進行實驗操作和數(shù)據(jù)分析，最終使學生獨立地用科學合理的方法測出45號鋼的韌脆轉變溫度。該實驗可以培養(yǎng)學生動手實踐能力、基本技能及創(chuàng)新實踐能力［3－4］。夏比沖擊實驗，以在工程中有重要用途的材料為研究對象，研究其沖擊韌性，從微觀結構和形貌上解釋韌性隨溫度變化機理，使學生在掌握基本實驗原理、操作過程和實驗意義的同時，進一步認知和掌握一些典型材料的力學性能的變化規(guī)律和變化機理，堅實學生的力學實驗基礎，加深理論知識的理解和掌握。該實驗教學項目豐富了實驗教學內容和方法，大大地激發(fā)了學生熱愛科研的熱情，也讓學生充分自主地利用實驗儀器設備開展實驗研究，提高了學生獨立分析問題和解決問題的能力［5－7］。

1 實驗教學方案設計原則

（1）有效強化學生對理論知識的實際運用，使理論和實踐有機結合。

（2）通過查閱資料或者運用所學知識，讓學生獨立設計實驗方案。

（3）增強學生的實踐能力，在教師的指導下獨立操作大型儀器設備進行實驗，增強分析問題和解決問題的能力。

2 實驗具體內容和流程確定

實驗教學所用的的實驗材料定為45號鋼。實驗方法根據(jù)夏比沖擊實驗標準的要求［8］，將45號鋼加工成標準的10mm×10mm×55mm的U型缺口沖擊試樣，放置于沖擊設備的兩支座之間，缺口背向打擊表面放置，用擺錘沖擊試樣，測量試樣的沖擊吸收功。

首先，加強學生對理論知識的理解和掌握。除了指導教師講解書面知識，也要求學生自己查閱文獻資料，提前預習實驗指導書。其次，讓學生獨立設計測量韌脆轉變溫度的實驗方案，包括沖擊設備的認識操作、系列沖擊實驗所選定的實驗溫度，以及怎樣實現(xiàn)這些溫度。再次，使學生全面掌握測量韌脆轉變溫度的實驗技能，增強實踐能力和動手能力。最后，讓學生從微觀尺度上認識和理解45號鋼在不同實驗溫度下的韌脆性，通過掃描電鏡觀察沖擊試件的斷口形貌與溫度的變化關系。

2．1 實驗材料和實驗方法

沖擊設備為300J擺錘式動態(tài)斷裂力學沖擊試驗機，試樣所測得的沖擊能量的誤差在＋／－2J。實驗選取100～196℃共8個實驗溫度，分別為25，0，－20，－40，－60，－80，－100和－196℃。同一溫度下取3個沖擊試樣同時放入介質中降溫或者升溫，保溫5min。試樣從介質中取出應該快速，從取出到打擊時間應控制在2s以內。為了保證學生安全，所選擇的高溫或低溫介質應該安全無毒。0℃以下的試樣采用液氮和無水乙醇作為冷卻介質，0℃的試樣在冰水混合物中冷卻。測溫使用低溫熱電偶。沖擊完成后，迅速用QUANTA FEG 450型掃描電子顯微鏡觀察沖擊斷口的微觀形貌。

2．2 實驗結果及討論

表1列出了不同實驗溫度下U型缺口沖擊試樣的沖擊功和斷口的微觀形貌，掃描電鏡觀測的斷口微觀形貌見圖1。

表1 45號鋼不同實驗溫度的測試結果

可見沖擊吸收功隨試驗溫度的降低而逐漸減小。讓學生用作圖軟件Origin擬合出沖擊吸收功隨溫度的變化曲線，如圖2所示。學生能觀察到：45號鋼在實驗溫度區(qū)間內有韌脆轉變現(xiàn)象，但曲線變化平緩，沒有明顯的韌脆轉變溫度。取沖擊能量降至室溫值的50%時所對應的溫度為韌脆轉變溫度ETT50，確定為－48℃。

圖1 不同實驗溫度下沖擊試樣的斷口微觀形貌2000×

圖2 45號鋼的沖擊功與溫度的關系

整個實驗過程中，學生獨立操作實驗，獨立分析實驗數(shù)據(jù)和擬合曲線，利用所學知識和文獻資料掌握韌脆轉變溫度確定的方法［9－10］。實驗數(shù)據(jù)的分析和韌脆轉變溫度的確定充分調動了學生鉆研的積極性，豐富了實驗知識，增強了動手能力和實踐能力，提高了學生科學實驗的能力。

然后讓學生觀察沖擊試樣的宏觀斷口特征，哪些溫度下斷口形貌是纖維狀，哪些溫度下是結晶狀或者混合狀［11－12］。有了初步的認識后，讓學生親自操作掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌，了解一些基本概念，如韌窩、準解理等。

在實驗過程中學生會發(fā)現(xiàn)，隨著試驗溫度的降低，斷口由韌窩的組織結構過渡到準解理＋韌窩再到準解理的組織結構，在低溫時出現(xiàn)脆性斷裂的現(xiàn)象，以結晶狀斷裂（準解理斷裂）為主，韌窩幾乎完全消失。從而引導學生理解實際工程應用中測量材料的韌脆轉變溫度的必要性。對于有低溫脆性的材料，必須充分考慮到其安全性。這樣學生一方面掌握了本實驗所涉及的實驗技術和手段，鍛煉了動手能力，也同時增強了獨立分析問題、解決問題的能力，把理論用于實踐，用實踐強化理論，兩者相輔相成，成為系統(tǒng)的整體。

教師應積極利用實驗過程中學生所遇到的挫折，因勢引導，激發(fā)學生解決難題的熱情和成就感。

2．3 實驗報告的撰寫及成績考核

實驗報告是實驗教學流程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，撰寫實驗報告可以讓學生從頭至尾理順整個實驗的目的、要求、內容和操作流程，對實驗過程中所遇到的問題加以深刻思索，鞏固所學實驗知識和實驗技能，提高分析實驗數(shù)據(jù)的能力。學生成績根據(jù)實驗預習、出勤、實驗操作和實驗報告撰寫情況綜合評定。

3 結束語

本實驗教學項目給學生充分的發(fā)揮空間，讓其自己想辦法實現(xiàn)高溫或者低溫的控制，自己選擇溫度間隔以及一些基本技能的掌握和運用，如韌脆轉變溫度的定義和確定等。學生在符合規(guī)范技術要求的基礎上，科學合理地測出了45號鋼的韌脆轉變溫度為－48℃。該實驗教學項目不僅豐富了實驗教學內容，還培養(yǎng)和提高了學生的創(chuàng)新實踐能力和科學意識，增強了學生用科學的方法分析問題和解決問題的能力。

（References）

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［6］孫盾，姚纓英．開設自主實驗的實踐與思考［J］．實驗技術與管理，2009，26（5）：21－23．

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［9］王林岐，趙學忠．不銹鋼X10CrNiMoV12－2－2韌脆轉變溫度的測試［J］．熱加工工藝，2011，40（8）：17－19．

［10］于秀娥，代文科，孫紹廣，等．不同擺錘刀刃對管線鋼夏比沖擊試驗的影響及分析［J］．中國測試，2011，37（6）：21－23．

［11］崔穎，史志龍．鍋爐壓力容器DIWA353鋼板韌脆轉變溫度的測定［J］．黑龍江電力，2008，30（1）：48－50．

［12］唐振廷．儀器化沖擊試驗應用講座（二）纖維斷面率與韌性斷面率之間的關系［J］．汽車工藝與材料，2005（11）：42－44．

Scheme design of experimental teaching based on study of ductile－brittle transition temperature for 45steel

Geng Hongxia，Zhao Yujin，Wu Xinru，Xie Huimin
（School of Aerospace，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Based on Charpy U－notch impact tests at different temperatures，the experimental teaching course is designed．Ductile－brittle transition temperature for 45Steel is measured by students independently，about－48℃，by means of the impact absorbing energy．The macrostructure of the fracture surface of 45steel at different temperatures is observed and discussed．The experimental teaching course can train and enhance the comprehensive practice and innovative abilities of students．

impact test；ductile－brittle transition temperature；practical ability；experimental teaching

G642．423

A

1002－4956（2015）3－0190－03

2014－07－10

國家自然科學基金青年科學基金資助項目（51202122）

耿紅霞（1977—），女，博士，工程師，主要從事材料科學、實驗力學方面的研究與教學工作．

E－mail：ghxia＠tsinghua．edu．cn