卓越工程師培養模式下的《工程材料》實驗教學改革探討

薛冰+殷鳳仕+孫國棟+賈賀澤+徐振+劉顯昌+孫兆海

摘要：本文闡述了在卓越工程師培養模式下的《工程材料》實驗教學研究，對傳統實驗教學采用的教師灌輸、學生單純模仿的機械教學方式進行改革。優化后的實驗內容把碳鋼的淬火和回火、金相試樣制備、金相組織分析、硬度測定、鋼的淬透性分析、合金元素的作用等實驗項目進行綜合，形成鋼的熱處理綜合性實驗。實驗內容充分綜合了學生在課堂中所學知識，有效地提高了學生的實際操作能力和獨立思維能力。

關鍵詞：卓越工程師培養；實驗教學；工程材料；熱處理；力學性能；組織分析

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）09-0020-02

“卓越工程師教育培養計劃”是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措，旨在培養一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量工程技術人才。高等工程教育迫切需要培養一大批能夠適應和支撐產業發展的工程人才?！豆こ滩牧稀分R面覆蓋量大，涉及內容較多，但課時少，加大了學生的學習難度。傳統的實驗教學方法是開設以下三個獨立的實驗：（1）金相試樣制備與碳鋼平衡組織觀察（2學時）；（2）鋼的熱處理操作及非平衡組織觀察（4學時）；（3）鋼的淬透性實驗（2學時）。這種實驗教學方法，學時多、效果差，學生不能把所學知識進行綜合。本實驗教學改革的目的是想在有限的實驗學時條件下，有效地把鋼的熱處理、金相組織分析、性能測試以及合金元素對鋼性能的影響等多個知識點進行綜合，讓學生把學過的理論知識和實踐進行有機地結合，達到融會貫通和快速掌握所學過知識的目的。

一、設想及方案設計

（一）設想

（1）通過實驗使學生鞏固書本上的知識，把所學的知識進行綜合思考，培養學生的實際操作能力、綜合分析運用能力以及勇于開拓的創新能力。（2）通過實驗使學生利用所學的知識，正確設計實驗方案，正確使用實驗設備和實驗儀器，準確獲得實驗數據，正確記錄數據、分析數據和處理數據，對實驗數據進行綜合分析，得出科學合理的結論。

（二）方案設計

本實驗教學改革把原來實驗項目中鋼的淬火和回火、碳鋼的組織觀察、鋼的淬透性等試驗項目和金相試樣制備、硬度測定等結合起來，使之成為一個綜合性實驗。把碳鋼的熱處理工藝、不同冷卻介質和合金元素對鋼的淬透性的影響等知識點進行綜合，形成一個綜合熱處理工藝、金相組織分析、合金元素的作用等的研究性實驗，通過對實驗結果進行分析研究，使學生達到融會貫通和快速掌握所學知識的目的。

二、方案的實施

（一）綜合性實驗的名稱

鋼的熱處理綜合性實驗。

（二）實驗目的與要求

（1）分析淬火介質和回火溫度對材料性能的影響。（2）分析合金元素對鋼的淬透性的影響。（3）了解熱處理工藝流程、熟悉熱處理儀器的使用。（4）發現實驗中的問題并運用所學知識分析問題。

（三）實驗材料

45#鋼 化學成分以重量百分比計為：C 0.42%～0.50%，Si 0.17%～0.37%，Mn 0.50%～0.80%，Cr≤0.25%，Ni≤0.30%，Cu≤0.25%。40Cr鋼 化學成分以重量百分比計為：C 0.37%～0.45%，Si 0.17%～0.37%，Mn 0.50%～0.80%，Cr 0.80%～1.10%，S≤0.030 P≤0.030，Ni≤0.25，Cu≤0.030。

（四）實驗過程

實驗時每組8名學生，根據鐵碳相圖確定熱處理淬火加熱溫度。表1列出了該組學生設計的熱處理實驗方案，每名學生負責兩個試樣的熱處理操作和金相分析以及硬度測試，最后將硬度測試結果匯總于表1。

三、實施的效果

根據表1的實驗結果，實驗的學生可以得到如下的規律：

（1）45鋼試樣水冷時，表層硬度高，心部硬度低。這是由于45鋼的淬透性不足（見圖1a，箭頭所指黑色點狀物質為夾雜物，基體為馬氏體組織），表層得到全部馬氏體，而心部未能得到全部馬氏體（見圖1b，灰色區域為硬度較低的屈氏體組織，其他區域為馬氏體組織）。（2）45鋼試樣淬火后，水冷試樣的硬度高于油冷試樣。這是由于油比水的冷卻速度慢，淬火后得到較多體積分數的屈氏體（圖1c，灰色區域為硬度較低的屈氏體組織，其他區域為馬氏體組織）。（3）冷卻介質是油時，40Cr鋼試樣淬火后的硬度明顯高于45鋼試樣。這是因為兩種鋼的淬透性不同，40Cr鋼中合金元素Cr的加入，使過冷奧氏體轉變的C曲線右移，降低了臨界冷卻速度，從而提高了鋼的淬透性。（4）水冷淬火后再回火，隨回火溫度的升高，硬度降低，但40Cr鋼硬度降低的慢，說明40Cr鋼的抗回火穩定性高。40Cr中合金元素Cr的加入，延緩了回火過程中的組織轉變過程。其次，Cr的固溶強化作用也是40Cr鋼回火穩定性升高的一個原因。

（a）860℃×20min水冷表層組織（b）860℃×20min水冷心部組織 （c）860℃×20min油冷表層組織

四、結束語

本次實驗中，讓學生自己根據所學的知識設計實驗方案，并對實驗結果進行分析，不但學會了金相試樣制備、金相組織分析和材料性能的測試方法，并了解了基本的熱處理工藝及合金元素對材料組織和性能的影響。通過對本實驗的領會和掌握，可以對實際生產中的熱處理工藝和檢測方法有一個很好的了解，滿足一個工程技術人員的要求。

通過我們對本次實驗教學進行改進，充分調動和激發了學生對實驗的積極性和主動性，增強了實驗教學的研究性；讓學生自己設計實驗方案，大大提高了學生的實驗操作技能，并培養了學生對實驗結果的分析能力和總結能力，取得了滿意的效果。

參考文獻：

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