《材料成形原理》課程教學改革探索

黃 林，安旭光，辛成來，王小煉

(成都大學機械工程學院，四川 成都 610106)

《材料成形原理》是材料成型及控制工程專業重要的基礎必修課。本課程重點介紹了液態成形(鑄造)、連接成型(焊接)、塑性成形(鍛壓)過程中涉及到的物理本質及基本規律；闡明了各類成形方法的基礎理論及原理；揭示了成形過程中影響材質和制件性能的因素及缺陷形成的機理[1-4]。其教學目標是通過本課程的學習使學生對材料成形的基本原理及成形過程有實質性的理解；能從本質上認識和分析材料成形過程中的實際問題和提出解決問題的方法；為今后學習材料成形工藝學，從事材料成形專業技術工作、提高成形制件質量，開發新材料、探索新技術奠定堅實的理論基礎。為了使學生理解并掌握好材料成形原理這門專業基礎課，結合我院材料成型及控制工程專業的實際教學情況及筆者切身經歷，談談在教學改革中的嘗試。

1 教學內容改革

《材料成形原理》這門課程的學生此前已經學習了高等數學，材料力學，材料科學基礎，工程材料，材料物理化學等基礎課程，具有一定的知識儲備。本課程有機的整合了液態成形、塑性成形、連接成形中共性的部分，對個性部分有選擇性的進行了闡述。如在液態成形中，重點介紹了液態金屬的結構和性質，凝固熱力學及動力學，鑄件凝固組織的形成與控制，液態成形的溫度場及凝固時間的計算。在塑性成形中，重點介紹了金屬塑性加工過程中組織和性能變化的基本規律，金屬在塑性加工過程中的塑性行為，塑性成形力學基礎及屈服準則；在連接成形中，重點介紹了焊接溫度場熱傳導方程，電弧焊的溫度場及其數學模型，焊接熱影響區的組織與性能變化特點及規律。重點理解金屬材料成分及工藝方法決定材料組織特點，材料的組織形態決定材料性能。通過成分的優化設計，工藝方法的合理改進來獲得優質的制件。授課內容豐富，既注重理論分析，更強調實際工程應用。經與本專業授課教師充分交流，盡量避免了專業課內容的重復。

2 教學方法改革

隨著科技快速發展，多媒體教學已經廣泛應用于課程教學當中，由于形式多樣的圖片、動畫等元素豐富了教學內容，激發學生的興趣，提高了教學質量[5]。然而，單一的采用多媒體教學的不足也日漸凸顯，如課程信息量加大，授課進度加快，學生記憶跟不上等，影響了教學質量。同時，材料成形原理專業課的基礎原理及理論公示推導較多，易導致學生思維疲勞，傳統的多媒體教學手段可能無法完全滿足于此。因此，筆者引入了一些新的教學方法，這樣不僅能夠改善傳統的教學模式，還能激發學生興趣，提高學生學習的積極性。

2.1 案列教學法

根據筆者以往在航空制造企業的工作經驗，結合《材料成形原理》課程的教學目標，就液態成形而言，以航空發動機燃燒室TC4鑄件為例。對TC4鑄件的結構及尺寸精度進行初步分析，因其尺寸精度要求高，結構較為復雜，故采用熔模鑄造的方法進行澆注成形。列舉了TC4鑄件在鑄造過程中出現的縮孔、縮松、氣孔、夾砂等鑄造缺陷產生的部位，并分析了缺陷形成原因以及后續工藝的改進措施。如在鑄件的熱節處形成了縮孔，后續合理應用冷鐵和補貼等工藝措施可減小縮孔的尺寸，鑄件成形后利用同材質的焊絲氬弧焊補焊來解決縮孔問題。在塑性成形方面，向學生介紹了航空發動機GH5188側板的拉伸成形工藝過程，由于側板的總變形量較大，僅采用一次成形可能導致零件變形量過大，加工硬化嚴重而開裂，因此分三次對側板進行拉伸成形，每次拉伸變形量相對較??；并在每次成形后在再結晶溫度以上選擇合適的加熱溫度與保溫時間進行真空去應力退火，以軟化金屬組織，恢復塑性。最后向學生介紹了板料拉伸成形前后的清洗，潤滑，表面處理等輔助工序，以確保零件成形質量。通過此次講解，學生對金屬塑性變形的組織轉變特點、變形機理及影響因素等有了更深的認識。在連接成形方面，向學生講解了GH3536航空發動機渦輪葉片真空釬焊工藝過程，首選是焊前的準備工作，即用砂紙丙酮等去除發動機葉片表面的氧化皮及油污，尤其是焊縫及距焊縫10 mm范圍內的區域；其次對葉片進行裝配和固定，確保葉片在釬焊過程中不發生錯位等現象；并在焊縫位置進行釬料預置，按需涂抹阻流劑，確保釬料在復雜焊縫中獲得理想的走向；并將處理好的葉片放在真空釬焊爐中，選擇釬焊溫度(1050±5)℃、保溫時間15～20 min及0.8～1 bar充氣壓力等工藝參數進行真空釬焊；待焊件冷卻后出爐，最后對焊縫進行清理和打磨。通過對真空釬焊工藝過程的詳細介紹，切實讓學生了解到真空釬焊工藝無氧化、污染等現象以及焊件整體均勻受熱，熱應力小，變形小，適合精密產品的焊接等優點。同時在焊接工藝操作時，焊接件污染源的清除與防治，焊接接頭組織性能的不均勻性，焊接殘余應力和變形的特點及防治，焊接缺陷的檢驗以及焊接結構的制造等問題對后續能否獲得優質焊件有著極其重要的影響。

2.2 討論教學法

在教學過程中，如一未的采用傳統的填鴨式的教學方法[6]，即老師講學生聽，這樣教學效果不僅差，還會使學生對專業課喪失興趣，難以調動學生學習的積極性，不利于培養專業高素質人才?！恫牧铣尚卧怼愤@門課程中，有大量的基礎原理及理論公式，要求學生自己動手進行公示推導，并鼓勵學生相互之間主動交流探討。比如在講授液態金屬均勻形核與非均勻形核功時，讓學生在理解理論模型的基礎上，分小組進行討論，采用多思路求解液態金屬形核過程中的體積自由能與表面自由能，進而計算出液態金屬形核功；再此基礎上，通過對均勻形核與非均勻形核過程中形核功、形核率及臨界過冷度的對比分析，加深學生對均勻形核與非均勻形核形核本質的理解。以加分的形式鼓勵學生積極上講臺展示自己的推導思路及過程，進而激發學生學習的積極性，提高了學生的自信心及團隊協作能力。

2.3 實驗教學法

實驗教學是對理論課程的進一步補充與完善，在《材料成形原理》這門課程中，開設了兩次實驗課，主要講解液態金屬的流動性及焊接缺陷的產生及檢測。比如液態金屬流動性實驗課，首先讓學生用原砂(140/100號)加入適量粘土和水混制成濕型砂，并用模樣制成上、下砂型，合箱后等待澆注。用電阻爐熔化指定成分的鋁合金，當鋁液升溫至730～750 ℃時，用氯化鋅或六氯乙烷精煉，以去除氣體和雜質。隨后立即清除熔渣并使金屬液靜置1～2 min后進行澆注。待鑄件凝固成形后，開箱清砂，最后待試樣冷卻后測量其螺旋線長度，并記錄實測數據。通過本次液態鋁合金流動性實驗，使學生直觀的了解合金種類，澆注溫度對液態金屬的流動性、充型能力及鑄造缺陷的影響機理。在焊接缺陷的產生及檢測實驗課，由于學生在金工實習時已有操作電弧焊機及線切割設備的經驗，因此本次實驗課讓學生自己動手操作電弧焊機進行焊接。結合本課程中的理論知識與經驗數據選擇焊接參數，并將兩塊厚度為5 mm的45鋼板進行電弧對接焊，獲得的焊縫通過線切割設備切割成10 mm×10 mm小方塊，采用鑲樣機獲得金相試樣，最后在OLYMPUS金相顯微鏡下進行焊接缺陷的觀察與分析。通過讓學生自己動手操作各類設備，不僅能培養學生的實踐動手能力，激發學生的學習興趣。同時學生在實驗過程中也會發現并解決一些實際工程應用問題(如在焊接時的起弧困難，線切割時由于雜質等不導電物質引起的斷絲，焊接缺陷如氣孔及裂紋的產生等)，為培養材料成型及控制工程專業技術人才奠定基礎。

3 課程考核方式改革

課程考核是教學過程中的一個重要環節，不僅考察學生對課程的理解與掌握情況，同時也是教師進行自我檢查教學效果，總結教學經驗進而改善教學方法的一個重要途徑。若僅僅采用單一的閉卷考試的考核方式，容易導致部分學生在臨近考試前短時間內大量記憶知識，考試結束后很快遺忘，這不利于理解和掌握專業課程，也不利于學生的工程實踐能力的培養與形成。因此探索能夠真正體現學生應用專業知識及創新能力的考核方式十分必要。本課程采用多元化的考核方法，其中期末考試成績占比60%，平時成績占比30%，實驗成績占比10%。平時成績包含出勤，課堂作業，課堂問答，課后作業。同時，以加平時成績的形式鼓勵學生課后查閱相關文獻資料，上課期間積極提出并解決問題。通過考核方式的改革，激發學生的學習的積極性與主動性，培養學生的學習興趣，提高學生自信心。

4 結 語

《材料成形原理作》為材料成型及控制工程專業基礎理論課。筆者經過近年的教學實踐與探索，持續改進教學內容、教學方法和考核形式。同時加強與學生及本專業教師的溝通，在師生共同努力下，提高教學質量，培養厚基礎、寬口徑[7]的高素質專業人才，滿足行業對專業人才的需求。