金屬材料與熱處理課程案例教學

黃志兵

摘 要：高職院校金屬材料與熱處理課程是一門專業性強、抽象難學的課程。為了突破教學難點，使抽象和難懂的知識變得形象生動，本文提出采用案例教學法，激發學生的學習興趣，活躍課堂氣氛，提高課堂教學效果。

關鍵詞：金屬材料與熱處理 案例教學法 冶金專業

金屬材料與熱處理課程是高職院校冶金專業中一門專業性強、抽象難學的課程。筆者在多年的教學過程中，采用案例教學法，使抽象難懂的概念形象化和具體化，取得了比較好的教學效果。下面，筆者就金屬材料與熱處理課程教學過程中，如何進行案例教學進行具體說明。

一、缺口效應

金屬材料存在缺口的情況下，金屬材料的力學性與沒有缺口情況時是不一樣的。金屬缺口存在時，缺口處的受力狀態會發生改變，使得金屬材料變得脆弱，危及機械機電設備的正常運轉。為了將金屬材料缺口效應講明白，筆者在課堂教學時，準備了兩張完全相同的塑料包裝紙，其中一張塑料包裝紙保持原樣，用剪刀在另一張塑料包裝紙剪一個小缺口。然后，筆者叫了一名學生上講臺以同樣的路線撕裂塑料包裝紙，在撕裂過程中，存在小缺口的塑料包裝紙很容易撕裂，而另一種沒有缺口的塑料包裝紙則更難撕破，顯示出有缺口的塑料包裝紙力學性能發生了很大改變。在外力的作用下，外力集中于缺口位置，超過材料屈服強度而使塑性變化并開裂，這就是缺口效應。筆者通過這個形象的案例，很好地說明了金屬材料缺口效應。

二、疲勞現象

機械設備中結構零件有時破裂，會造成重大經濟損失，甚至危害工作人員生命安全。許多造成破裂的機械零件是在循環變動載荷下運行的，例如齒輪和曲軸等。在運行過程中，這些機械構件在工作應力低于金屬材料屈服強度時就出現破裂現象，這種現象就是疲勞現象。據統計，工作過程中發生破裂情況至少有八成是由于疲勞破裂引起的，而且疲勞破裂在發生前沒有明顯征兆，具有很大危害。學生很難理解金屬材料的疲勞破裂問題。為此，筆者在課堂教學時準備了幾根鐵絲，讓幾個學生對鐵絲反復彎折，在很短的時間鐵絲就被折斷，這是由于疲勞現象產生的斷裂。機械結構零件材料表面存在缺陷問題時，例如劃痕和裂紋等，這些地方應力出現了大于原先屈服點的情況。在循環變動載荷情況下，隨著循環次數的增加，產生疲勞裂紋，裂紋持續擴大，達到一個臨界點后突然斷裂。

三、金屬同素異構現象

固態金屬在一定的溫度區間存在一定的晶格情況。比如鈦在882度以下時以六方晶格的形式存在，而在882度至熔點期間，鈦以體心立方晶格存在。鐵在912度以下是以體心立方晶格形態存在，912度至1394度期間以面心立方晶格形態存在，在1394度至熔點期間又以體心立方晶格形態存在。固態金屬在不同溫度情況下，會從一種晶格形態改變成另一種晶格存在形態現象，這種現象就是金屬同素異構。為了讓學生理解該知識點，筆者在課堂上向學生提出一個問題：固態金屬存在熱脹冷縮情況嗎？學生一時不能做出最終正確判斷。筆者先與學生進行了實驗，課堂上準備了一條長為1.2米、直徑1毫米的鐵絲，將鐵絲的兩端固定在支架上，通電流后使鐵絲慢慢加熱。隨著電流的增強，我們可以觀察到鐵絲由于受熱出現膨脹，并逐漸下沉，而加熱到使鐵絲呈現出橙色時，我們反而能夠觀察到鐵絲收縮的情況。相反，鐵絲從高達1000℃條件下逐漸降溫，降低到一定溫度后鐵絲反而伸長。總之，鐵絲在加熱時出現收縮，而在降溫時出現伸長。這種情況的發生，顯示出固態金屬并不是完全“熱脹冷縮”，而是由于金屬同素異構現象的存在，金屬材料在不同溫度下內部晶格發生了改變。

四、偏析現象

金屬材料中化學成分分布不均勻的情況稱為偏析現象。金屬鑄錠結晶過程中，不同部位結晶速度是不一樣的，一般在合金中低熔點的元素集中于最終結晶區，從而造成最終金屬鑄錠存在化學成分分布不均勻問題。學生對偏析現象不太理解。為此，筆者在課前要求學生利用課外時間自己制作一支冰激凌，制作過程是把牛奶放在冰箱里凍結成塊狀即可，制作完成后自己親自品嘗味道。在課堂上，筆者要求學生描述一下牛奶冰激凌的味道，大多學生都認為剛開始品嘗牛奶冰激凌時感覺很甜，到后面慢慢淡而無味，最后就是冰屑了。為什么要形成這種情況，這是因為水結晶的溫度是零度，牛奶中的水以三種性質而存在，一種是游離水的形式存在，它不與其他物質結合，具有溶劑的功能，含量最多；第二種是溶解于蛋白質、乳糖等物質的水；第三種是結晶水。牛奶在冷凍過程中，最先結成冰塊的是游離水，牛奶逐漸凍結，隨著冷凍的時間的加長，由于游離水全部凍結成冰塊，導致不結冰的蛋白質和乳糖等聚集于冰激凌的表面，從而使得冷凍的冰激凌存在口味變化的情況。通過這個課外實驗，學生很容易明白偏析現象的發生原理。

（作者單位：江西冶金職業技術學院）