《金屬材料與熱處理》教學中難點突破探索

鄭慶行

（河南省煤炭高級技工學校 451150）

《金屬材料與熱處理》教學中難點突破探索

鄭慶行

（河南省煤炭高級技工學校 451150）

《金屬材料與熱處理》教學中出現的一些疑難問題，可以通過舉例來輔助學生理解和掌握。

金屬材料與熱處理；舉例；教學效果

《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。在教學中，學生學習起來普遍感到枯燥乏味，加之有些概念、現象比較抽象，難于理解，教學難度相對比較大。筆者在多年的教學實踐中，發現把那些抽象、又難于理解的內容，通過形象、恰當的舉例加以表述，即能活躍課堂氣氛，又能激發起學生的學習興趣和熱情，加深對某些疑難問題的理解，從而提高課堂教學的效果。下面就筆者在教學過程中，對部分疑難問題相應舉例的教學，分別做一闡述：

1 金屬的同素異構現象

1867年的冬天俄國彼得堡海關堆在倉庫里的大批錫磚，一夜之間不翼而飛，留下來的卻是一堆堆像泥土一樣的灰色粉末。1912年，英探險家斯科特帶了大量給養和液體燃料去南極探險，卻凍死在南極，原來是盛液體燃料的鐵筒焊接縫的錫都化成了灰土。原來，錫具有與其他金屬不同的物理性質.當環境溫度極低時，其晶體結構會發生改變，體積增加20%左右．變成一種灰色粉末；到了-33℃時，這種變化的速度就會大大加快。那年冬天，俄國彼得堡地區的氣溫下降到-33℃以下，所以銀光閃閃的錫扣子都不見了，只有釘紐扣的地方留下一小撮灰色的粉末。在常壓下，一些固態金屬在不同的溫度范圍里，具有不同的晶格。例如，鈦在882°C以下具有密排六方晶格，而在882°C以上直至熔化以前，它卻以體心立方晶格的形式存在，其他金屬，像鐵、鈷、錳、錫、鋯等，它們都具有和這相類似的性質。金屬在固態下，在不同溫度范圍里，由一種晶格轉變為另一種晶格的現象，稱為金屬的同素異構轉變。此課題的提出，使得學生在理解上出現了問題，即固態下的某些金屬怎么會出現此現象呢？于此，在講清這個論點前，我先向學生提出了這樣一個問題：固態下的金屬都是“熱脹冷縮”嗎？有的學生答“是”，有的學生說“不是”。我對同學說：咱們暫且不下任何結論，先做一個簡單的舉例。首先取一根直徑為2mm左右，長約1～2m的鐵絲，兩端固定在支架上，通以電流，使其緩慢加熱，隨著電流的增加，我們發現，鐵絲受熱膨脹而逐漸下垂，當加熱到鐵絲呈橙色（約910°C以上）時，鐵絲突然發生回升現象，表明此時鐵絲產生了收縮。相反，鐵絲由高溫（約1000°C左右）逐漸冷卻時，達某一溫度會有冷卻時的伸長現象。為什么鐵絲受熱會有收縮現象，而遇冷又有伸長現象呢？顯然這與鐵絲內部發生某種變化有關。此例的舉出，使學生既明白了固態下的一些金屬，并不都是“無條件”的熱脹冷縮，同時也知道了金屬同素異構現象發生的原因，就是金屬在某種條件下晶格之間的轉變。

2 疲勞現象

許多機械零件都是在循環載荷的作用下工作的，例如曲軸、齒輪、彈簧、各種軸承等等。工作過程中，上述機械零件常常在它們的工作應力還低于制作材料的屈服點或屈服強度的情況下發生斷裂，這種現象稱為疲勞現象。疲勞斷裂與靜載荷作用下的斷裂不同，不管是韌性材料還是脆性材料，疲勞斷裂都是突然發生的，事先無明顯的塑性變形作為征兆，故而具有很大的危險性。為什么會出現此現象，學生普遍表示不理解。為什么呢？因為在我們前面講過的拉伸曲線內容時，通過對拉伸曲線的分析，學生已經知道金屬材料斷裂前的最大應力是抗拉強度，而屈服點或屈服強度的應力值低于抗拉強度。應當講，在抗拉強度以下工作的零件是安全的，不會破壞，可為什么這些零件在低于屈服點或屈服強度的情況下發生斷裂，學生困惑多多。為此，在授課過程中舉一例：在第二次世界大戰中，有這樣一個戰例，當時法西斯德國派出轟炸機頻頻轟炸英國本土。英國皇家空軍駕駛戰機空中攔截，戰況慘烈，突然，在不長的一段時間內，英國戰機相繼墜落，機毀人亡。英軍方對墜落飛機介入調查，最初的結論認為，德國是否發明了什么新式武器，因為在墜落飛機的殘骸上，無任何的彈痕，從而引起一片恐慌。但隨著調查的是深入，最終正確的結論是：這些墜落的戰機無一例外的是由于疲勞現象的發生而墜毀的。也就是說，飛機發動機內的零件出現了疲勞斷裂。究其原因做進一步的分析，機械零件之所以產生疲勞破壞，主要在由于制造這些機械零件的材料表面或內部有缺陷，如：夾雜、劃痕、尖角、軟點、顯微裂紋等等。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，并隨應力循環周次的增加，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，而突然斷裂。

在金屬材料中添加各種“維生素”是增強金屬抗疲勞的有效辦法。例如，在鋼鐵和有色金屬里，加進萬分之幾或千萬分之幾的稀土元素，就可以大大提高這些金屬抗疲勞的本領，延長使用壽命。金屬疲勞所產生的裂紋會給人類帶來災難。然而，也有另外的妙用。利用金屬疲勞斷裂特性制造的應力斷料機已經誕生。可以對各種性能的金屬和非金屬在某一切口產生疲勞斷裂進行加工。這個過程只需要2s以下的時間，而且，越是難以切削的材料，越容易通過這種加工來滿足人們的需要。

通過舉例讓同學們知道了金屬疲勞，同時又擴充了他們對疲勞現象的認識，學生們一下子就明白了，而且專神貫注、饒有興致地掌握了這一教學上的疑難點。

由于篇幅的限制，只能列舉這樣的兩個教學實例，在《金屬材料與熱處理》的教學中還有很多。針對課程中的某些疑難的內容、概念，應盡可能的多采用有趣、直觀、多樣的方式進行啟發式教學；多列舉生活、生產中的實例，以學生為中心，活躍課堂氣氛，將抽象、深奧的知識，用生動形象的語言和舉例，深入淺出地講授給學生，使學生能夠相對容易地理解和吸收，且能舉一反三，應用到實際中去，同時激發學生學習的積極性和主動性，使學生能更多地感知知識、更牢地掌握知識，以達到“講的透、學的活、記得住、用得上”之教學目標。

[1]陳志毅.金屬材料與熱處理.中國勞動社會保障出版社，2011.

[2]潘金生，田民波，仝健民.材料科學基礎.清華大學出版社，2011.

[3]宋維錫.金屬學.冶金工業出版社，1989.

G712.4

A

1004-7344（2016）07-0029-01

2016-2-20