材料成型及控制工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

——以《熱處理原理及工藝》課程為例

吳海江，鄒利華，王小明，郭文敏，曾娣平

(邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽(yáng) 422000)

材料成型及控制工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

——以《熱處理原理及工藝》課程為例

吳海江，鄒利華，王小明，郭文敏，曾娣平

(邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽(yáng) 422000)

課程實(shí)驗(yàn)作為實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，在培養(yǎng)大學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新性方面具有不可或缺的作用。基于金屬材料的組織、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系為核心內(nèi)容，設(shè)計(jì)了本實(shí)驗(yàn)。采用金相顯微鏡技術(shù)，探討了鋅浴中添加的Mn含量和熱浸鍍時(shí)間對(duì)低碳鋼熱鍍鋅合金層厚度的影響。結(jié)果顯示：當(dāng)Mn含量達(dá)到0.5w t%、熱浸鍍時(shí)間為5m in時(shí)，鍍層獲得最佳的減薄效果。教學(xué)實(shí)踐表明，該設(shè)計(jì)性課程實(shí)驗(yàn)提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力。

材料成型及控制工程專業(yè)；課程實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新；熱鍍鋅；鍍層組織

邵陽(yáng)學(xué)院作為一所省屬多科性地方本科院校，一直致力于培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、具有創(chuàng)新意識(shí)的應(yīng)用型高級(jí)工程技術(shù)人才，為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展服務(wù)。材料成型及控制工程專業(yè)是機(jī)械工程與材料工程的交叉學(xué)科，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，實(shí)驗(yàn)課程作為實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，在培養(yǎng)大學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新性方面具有不可或缺的作用。

《熱處理原理及工藝》是材料成型及控制工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程，是本專業(yè)其他多門課程的基礎(chǔ)，具有典型的理論聯(lián)系實(shí)際特性。原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式主要偏向于演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)很少。尤其是隨著專業(yè)的調(diào)整和教學(xué)計(jì)劃的不斷壓縮，實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為該課程重要的教學(xué)環(huán)節(jié)面臨著重大挑戰(zhàn)。因此，對(duì)熱處理原理及工藝課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革，以培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力的應(yīng)用型高級(jí)人才。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生只能在教師教學(xué)計(jì)劃安排的某一時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上明確規(guī)定的任務(wù)，得到早已估計(jì)到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式雖然對(duì)理論教學(xué)可以起到一定的補(bǔ)充作用，但卻禁錮了學(xué)生的思維，抑制了學(xué)生主動(dòng)思考、積極動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的興趣，不利于培養(yǎng)出工程實(shí)踐能力強(qiáng)、具有良好創(chuàng)新意識(shí)的應(yīng)用型高級(jí)工程技術(shù)人才。

從以上角度考慮，在制訂熱處理原理及工藝課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容時(shí)，筆者以金屬材料的組織、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系為核心內(nèi)容，減少驗(yàn)證性和演示性實(shí)驗(yàn)，開(kāi)設(shè)綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提高學(xué)生的獨(dú)立思考與創(chuàng)新能力。例如，依據(jù)講到的化學(xué)熱處理知識(shí)點(diǎn)，確定了《合金元素和熱浸鍍工藝對(duì)低碳鋼熱鍍鋅合金層厚度的影響》的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)時(shí)指導(dǎo)教師只是提出實(shí)驗(yàn)總綱，下達(dá)實(shí)驗(yàn)任務(wù)書，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不作具體規(guī)定。首先學(xué)生自由組成4～5人的實(shí)驗(yàn)小組，選出小組長(zhǎng)，由學(xué)生根據(jù)所學(xué)課程專業(yè)知識(shí)，通過(guò)查閱資料文獻(xiàn)，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，提出所需實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，呈送給指導(dǎo)教師審閱、修改和確認(rèn)；學(xué)生準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)材料后，自主聯(lián)系實(shí)驗(yàn)室預(yù)約做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室實(shí)行開(kāi)放式管理，學(xué)生只要在特定的時(shí)間段內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)就可以，這樣提高了實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量，保證了實(shí)驗(yàn)的效果；最后，每位學(xué)生要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，撰寫詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，必要時(shí)需進(jìn)行答辯。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要堅(jiān)持以學(xué)生為主體，只要實(shí)驗(yàn)安全沒(méi)問(wèn)題，對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)方案和實(shí)驗(yàn)過(guò)程就不要過(guò)多去干涉，千萬(wàn)要注意保護(hù)好學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情和興趣。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)方法

熱鍍鋅合金化鋼板具有良好的耐蝕性、涂裝性及焊接性而被廣泛地應(yīng)用于汽車、建筑和家電等行業(yè)。在熱鍍鋅鍍層中添加適量的錳是有效提高鍍層性能的手段之一，而其性能是由鍍層的組織結(jié)構(gòu)特性決定的。基于此，本實(shí)驗(yàn)探討了Mn含量和熱浸鍍時(shí)間對(duì)低碳鋼熱鍍鋅合金層厚度的影響。

實(shí)驗(yàn)采用99.995wt%純鋅錠和化學(xué)純級(jí)錳片，以Zn-2.5wt%Mn中間合金的形式熔入純鋅浴中配制成含Mn量0.1～0.7wt%的Zn-Mn合金鍍?cè)　Ｋ玫吞间摪寤瘜W(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：C 0.17%、Si 0.04%、P 0.010%、S 0.005%、Fe余量。試樣加工成40mm×30mm×3mm大小，然后用砂紙打磨平整，再經(jīng)熱堿浴除油→熱水沖洗→酸洗除銹→冷水沖洗→助鍍劑助鍍→烘干。熱鍍鋅及鋅錳合金浸鍍溫度為450℃，浸鍍時(shí)間為1～10min。應(yīng)用XJL-02A型金相顯微鏡觀察鍍層的顯微組織，同時(shí)使用帶有刻度的目鏡，對(duì)鍍層的各合金相層的厚度進(jìn)行測(cè)量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

鋅浴中添加不同含量的Mn后，熱浸鍍鋅錳合金鍍層自鋼基體向鍍層表面依次都是由極薄Γ相、δ1相、ζ相和自由鋅層η相組成。圖1所示的是熱浸鍍鋅及鋅錳合金鍍層中合金相層的總厚度與熱浸時(shí)間的關(guān)系。從圖1中可以看出，鋅浴加錳能不同程度地降低合金相層的厚度，但降低的幅度較小。當(dāng)鋅浴中含錳量≤0.5wt%時(shí)，隨著鋅浴中錳含量的增加，合金相層厚度逐步減薄。其中短時(shí)間內(nèi)（≤5min），減薄效果較為明顯；隨著浸鍍時(shí)間的延長(zhǎng)，鍍層減薄效果變差。可能的原因是，錳原子在ζ相中是以置換鐵原子的形式存在的。ζ相中的錳含量越高，則錳原子占據(jù)鐵原子的位置越多，從而起到了減緩ζ相向液相生長(zhǎng)的作用。與此同時(shí)，從鋼基擴(kuò)散出來(lái)的鐵原子將促進(jìn)δ1相的形成和生長(zhǎng)，使得δ1相層變厚。隨著熱浸時(shí)間的延長(zhǎng)，在鐵基表面形成富含鐵的Γ相層，而Γ相的形成進(jìn)一步阻礙了鐵鋅擴(kuò)散，所以整個(gè)鍍層的生長(zhǎng)速度變得非常緩慢。

圖1 熱浸鋅及鋅錳合金鍍層中合金相層厚度與熱浸時(shí)間的關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)探討了鋅浴中添加的Mn含量和熱浸鍍時(shí)間對(duì)低碳鋼熱鍍鋅合金層厚度的影響。隨著Mn含量和熱浸鍍時(shí)間的增加，合金相層厚度先減薄后增厚；當(dāng)鋅浴中Mn的添加量達(dá)到0.5wt%、熱浸鍍時(shí)間為5min時(shí)，鍍層獲得最佳的減薄效果。通過(guò)本課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程表明，因?yàn)槊總€(gè)實(shí)驗(yàn)小組的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不同，即使本小組內(nèi)部由于要求每個(gè)人都要親自動(dòng)手，所以從主觀和客觀上最大程度地杜絕了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的偷懶現(xiàn)象。學(xué)生通過(guò)自己查閱中英文文獻(xiàn)，獨(dú)立設(shè)計(jì)并提出實(shí)驗(yàn)方案，分析評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獨(dú)立地操作實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的鍛煉，鞏固了所學(xué)的專業(yè)知識(shí)和拓寬了專業(yè)視野。最終激發(fā)了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣和熱情，增強(qiáng)了學(xué)生的專業(yè)歸屬感，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和工程實(shí)踐能力，提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力，符合邵陽(yáng)學(xué)院培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、具有創(chuàng)新意識(shí)的應(yīng)用型高級(jí)工程技術(shù)人才的目標(biāo)。

［1］楊繼年，丁國(guó)新，陶玉侖，等.高分子材料專業(yè)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與思考——以《塑料/橡膠加工工藝與設(shè)計(jì)》課程為例［J］.廣州化工，2015，43（2）：185-186.

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［5］袁訓(xùn)華，陳本權(quán)，張啟富，等.電解剝離過(guò)程中熱鍍鋅合金化鍍層的陽(yáng)極溶解機(jī)制［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2015，36（2）：179-184.

［6］邵大偉，賀志榮，張永宏，等.熱浸鍍鋅技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.熱加工工藝，2012，41（6）：100-103.

Design and Practice of Course Experiment of M aterial Form ing and Control Engineering Speciality——Taking Princip le and Technology of Heat Treatm ent Course as an Exam ple

WU Hai-jiang，ZOU Li-hua，WANG Xiao-m ing，GUO Wen-m in，ZENG Di-ping
（Department of Mechanical and Energy Engineering，Shaoyang University，Shaoyang，Hunan 422000，China）

As an important partof practical teaching，the course experiment played an indispensable role in cultivation of college students'subjective initiative and innovation.This experiment was designed based on the relationship between the structureand propertiesofmetalmaterials.TheeffectsofMn contentin zinc bath and hotdipping timeon the thicknessofhotdip galvanized alloy layer on low carbon steelwere investigated based on opticalmicroscope.The results showed that the optimal effect of reducing thin of coating was obtained when the Mn content reached 0.5wt%and hot dipping time was up to 5min. Teaching practice revealed that this designing course experiment improved the ability of the students to discover problems，analyze problems and solve problems.Thiswould be in favor of the cultivation of the students'innovative consciousness and engineering practice ability.

material forming and controlengineering speciality；course experiment;innovation；hot-dip galvanizing；coating microstructure

G642

A

2095-980X(2016)08-0090-02

2016-07-17

邵陽(yáng)學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2015JG20）；邵陽(yáng)學(xué)院精品開(kāi)放課程建設(shè)項(xiàng)目（邵院教通［2016］4號(hào)）

吳海江（1975-），男，安徽淮南人，博士，副教授，主要從事材料專業(yè)的教學(xué)與研究工作。