以鐵碳合金為主線的金屬學與熱處理課程教學探討

朱守琴 王玉勤 陳宇

摘要：基于金屬學與熱處理課程的性質及特點，文章在理論教學方面對教學內容進行了合理的模塊化歸納，注重了專業(yè)課間的聯(lián)系;在實踐教學方面，以鐵碳合金金相試樣的制作與組織觀察為核心，將驗證型實驗與綜合型實驗進行了合理的搭配。文章通過對理論教學和實驗教學的探討，提出了以鐵碳相圖為主線、成型為背景的教學思路。

關鍵詞：金屬學與熱處理;鐵碳相圖;教學思路

一、引言

金屬學與熱處理是面向冶金及熱加工類專業(yè)開設的基礎專業(yè)課，也是面向材料類專業(yè)開設的核心專業(yè)課，是工科學生從事專業(yè)工作的必學課程之一。本課程抽象概念多，例如：晶格、柏氏矢量和變態(tài)萊氏體等。同時，課程內容也相對多，涉及面較廣，包括金屬學、塑性變形和熱處理等內容。以本校為例，在學習本課程之前或者同時要學的課程有畫法幾何、大學物理、材料力學等，而這門課的后續(xù)專業(yè)課又有材料成型原理、塑料成型工藝及模具設計、鑄造工藝學等，本校的定位是培養(yǎng)地方應用型人才，因此這門課程的名稱是工程材料及金屬工藝學，注重的是工程材料的應用，而鐵碳合金是工程材料的主要組成部分。因此，可以說學好鐵碳合金是學好工程材料及金屬工藝學的關鍵，是掌握大部分工程材料性能的基礎。性能包括使用性能和工藝性能兩方面，鐵碳合金的性能具有一定的規(guī)律性。本課程中的鐵碳合金及鐵碳相圖的理論學習和實踐操作能夠讓學生理解材料科學研究的四要素（性能、組織結構、化學成分、加工工藝）及相互之間的關系，即組織結構決定性能，而化學成分和加工工藝決定組織結構，為后續(xù)的專業(yè)課的學習打下基礎。

二、理論教學

根據(jù)這門課程前后的內容分布的關系，現(xiàn)將金屬學與熱處理這門課分為兩個部分，具體內容如圖1、圖2所示。從圖中可以看出鐵碳合金可以作為金屬學與熱處理這門課理論知識的應用，也能反過來通過鐵碳相圖來解釋和說明這門課的理論知識。鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的重要工具，鐵碳合金是應用廣泛的工程材料，因此學好鐵碳相圖是從事各類加工和熱處理工作的基礎。

根據(jù)我校的辦學定位目標——地方應用型高校，滿足“厚基礎，寬口徑，高素質、強應用”的專業(yè)要求，結合我校材料成型及控制工程的專業(yè)培養(yǎng)方案，工程材料及金屬工藝學這門課總共54課時，理論42課時，實驗課12課時，由于這門課內容多，為了達到預期的效果，教學必須要做到重點突出，難點選學。由于這門課的概念抽象需要用具體的實例來講解，而鐵碳合金是最常見的工程材料，所以整個課程以鐵碳合金為主線。理論課時具體按下面表1安排。

其中重點知識點是：第一，典型金屬的晶體結構;第二，晶體缺陷;第三，金屬結晶條件及晶核長大規(guī)律;第四，二元合金相結構與結晶;第五，鐵碳相圖分析及應用;第六，塑性變形及再結晶;第七，鋼的熱處理原理。難點是：第一，典型金屬晶體結構及相關計算;第二，二元相圖的表示方法和分析方法;第三，鐵碳相圖點線區(qū)的意義、平衡結晶過程及其靈活應用;第四，塑性變形機理及再結晶機制;第五，鋼的熱處理原理。對于重難點的講解多運用實際例子，也要與前后內容聯(lián)系。例如，位錯的講解，位錯作為線缺陷，是晶體結構的重點，也要與金屬的塑性變形相互聯(lián)系，在講解時要注意講解位錯作為一種晶體缺陷，是理想晶體結構的缺陷，但是在實際應用中，位錯會產生位錯強化，對工程材料的強化起到了重要的作用。這樣學生更能將前后內容融會貫通，并且能將理論知識與實際的工程材料聯(lián)系起來。

三、實踐教學

本課程是專業(yè)課，必須通過實驗來驗證理論，通過實踐來加深認識，因此，實驗教學是本課程重要的教學環(huán)節(jié)之一，占有極其重要的地位，是理論聯(lián)系實際的重要手段，也是學生掌握抽象理論的不可或缺的方法。本課程試驗是12個課時，安排三個驗證型試驗和三個綜合型試驗，具體的實驗安排及實驗內容見表2所示。

實驗一是硬度測量實驗，用兩種不同的方法測量試樣的硬度，目的是了解硬度測定的基本原理及應用范圍，熟悉布氏、洛氏硬度試驗機的主要結構及操作方法，驗證理論課中硬度的概念，主要的實驗器材如圖3的a、d所示。實驗二是金相顯微鏡的使用實驗，目的是掌握光學顯微鏡的構造和實際操作方法，為日后觀察金相試樣打好基礎，即為實驗三、實驗四做好準備，具體的實驗器材如圖3的b所示。實驗三是金相試樣的制備實驗，目的是了解制備金相試樣常用的設備、工具，初步掌握金相試樣的制備過程和方法，具體的實驗器材如圖3的b、c所示，這個實驗是分析材料的基礎操作，為材料的分析打下基礎。實驗四是鐵碳合金平衡組織觀察，目的是讓學生了解鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的顯微組織，分析成分對鐵碳合金顯微組織的影響，從而理解成分、組織與性能之間的相互關系，主要的實驗器材如圖3的b所示。實驗五是低碳鋼拉伸實驗，目的是測定碳鋼的屈服極限σs、強度極限σb、延伸率δ、斷面收縮率ψ，觀察拉伸過程中的各種現(xiàn)象，自動生成并打印拉伸圖（P-△L曲線）。主要的實驗器材如圖3的f所示。實驗六是熱處理實驗，目的是了解碳鋼熱處理操作，試退火、正火和淬火等熱處理前后45號鋼的硬度，觀察退火、正火和淬火等熱處理前后45號鋼的相和組織，推測相與硬度之前的關系，主要的實驗器材如圖3的e、a、b所示。

四、結論

金屬學與熱處理作為專業(yè)課，內容繁雜、概念抽象，但實用性很強，學好這門課必須立足理論知識，結合實驗，才能融匯貫通。文章結合金屬學與熱處理的課程地位，將教學分為理論教學和實踐教學，以鐵碳合金為主線，讓理論知識深入淺出。