金相實驗教學標準試樣的研制與應用

黃 鵬， 孫建林， 劉亞東， 唐志君

（1.北京科技大學材料國家級實驗教學示范中心，北京100083；2.北京科大分析檢驗中心有限公司，北京100083）

0 引 言

當前我國高等教育面臨的一個突出問題是校際教學質量差距大、區域發展不平衡［1］。國家級實驗教學示范中心的設立，對推廣高校優質實驗教學資源，提高高人才培養質量、消除教學水平差距發揮了重要作用［2-3］。而示范中心示范作用的發揮，國家級精品課程的推廣，協同教學需要有統一標準化的實驗教學基礎支撐與保障［4-5］。

材料國家級實驗教學示范中心結合國家級精品課程建設，設計、研制系列金相標準試樣，廣泛應用于金相實驗教學［7］、大學生科研訓練計劃（SRTP）、大學生專業學科競賽［6-7］、中學生科普活動和廠礦企業研究等方面，為實驗教學、競賽和科研培訓等活動提供了標準、統一、便捷的樣品平臺，對發揮示范作用、推廣優質教學資源產生了積極推動作用。

1 高品質金相試樣保障金相實驗教學質量

金相學是研究金屬材料組織的一門學科，通過對金屬材料宏觀和微觀組織的觀察分析，來研究金屬組織成分、結構和性能之間的關系，是材料、機械、冶金等專業高級人才培養中非常重要的內容［8］。金相實驗教學在金屬材料及相關專業實驗教學中占有非常重要的地位。

金相試樣直接影響金相實驗教學質量［9-10］。從非專業生產的社會企業采購試樣用于實驗教學，常因不具備精準熔煉、復合機加工、熱處理調控組織等條件，存在成分不穩定、組織、性能不可控、品種單調等諸多問題，極易影響金相實驗教學質量。如，外購得到鍛造組織45 鋼、粒狀珠光體T8 鋼試樣，教師需再進行組織檢驗和熱處理，將樣品組織調整到實驗教學的理想狀態。費時費力而且耗費實驗教學經費，如不經檢驗和處理實驗教學無法正常進行。

成分穩定、組織標準可靠的系列金相試樣，是金相實驗教學質量的基礎和重要保障，對材料類專業及相關專業的金相實驗教學［11-12］非常重要。同時，材料類大學生競賽、科研培訓活動，也需要標準、穩定的高品質金相試樣。

2 金相標準試樣的設計、制備和檢驗

2.1 金相標準試樣設計

針對上述問題，自2011 年起材料國家級實驗教學示范中心整合內部實驗資源與條件，發揮學科優勢，與優質教學資源相結合，由國家教學名師、北京市教學名師參與開發研制了多個系列金相實驗教學標準試樣。如，結合國家精品課程、校級精品課程“材料科學基礎”“金屬學”“金屬材料學”等課程，考察其他高校材料類、機械類專業實驗課程，根據教學內容和樣品成分，設計了鐵碳合金平衡組織系列（如表1）、合金鋼系列、鑄鐵系列、有色金屬合金系列等多個系列幾十種組織的金相標準試樣。

按使用方向可將金相標準試樣分為觀察用試樣（見圖1）和操作用試樣（見圖2）兩種。觀察用試樣為鑲嵌試樣，可供教師、學生直接觀察、分析組織；操作用試樣多為全金屬試樣，供學生進行實驗操作，也供專業學科競賽使用。

表1 鐵碳合金組織系列試樣

圖1 觀察用鑲嵌樣金相標準試樣

圖2 操作用全金屬金相標準試樣

此外，可根據需求開發研制具有特定成分和形狀，經特定工藝制作具有特定組織的金相試樣。這是一般簡單加工企業無法做到的。

2.2 金相標準試樣制備

制備流程（見圖3）包括熔鑄、鍛造、熱處理、機加工、金相制樣5 個主要步驟。

圖3 金相標準試樣制備工藝流程

（1）真空熔鑄。采購所需高純度原料，根據試樣的國家標準或設計成分進行配比。合金成分控制是一項難點，使用真空感應爐熔煉制備，保證高清潔度避免夾雜物，可精確控制化學成分；除需精確配置合金成分，還要預估損耗，并根據各合金成分的熔點、沸點和溶解度來制定合理工藝。采用精準真空熔煉可保證樣品材質完全符合相應國家標準或滿足設計合金成分要求。

（2）鍛造。將鑄錠鍛造成目標尺寸形狀，預留氧化脫碳層和機加工余量。

（3）熱處理。根據對材料顯微組織要求，設計熱處理工藝，確定保溫溫度、時間和冷卻方式，進行相應熱處理。

（4）機加工。根據設計試樣用途，將合金坯料加工成需要尺寸；在此過程中，去除氧化脫碳層等在熱處理過程中因高溫氧化反應成分發生偏差的坯料外層。

（5）金相制樣。對觀察用試樣進行鑲樣，隨后完成“粗磨→水磨→拋光→浸蝕→防氧化處理”的整套制樣流程。

2.3 成分與組織檢測

具有嚴格的檢驗制度和檢驗方式。制備好的標準試樣，必須經成分、組織等檢驗。各批次試樣按比例抽檢，使用通過CNAS和CMA認證的賽默飛世爾直讀光譜儀進行成分測量（見表2），使用奧林巴斯激光共聚焦顯微鏡觀察檢驗金相組織。確保成分、組織等均合格后，每塊試樣將刻印唯一性編號。

表2 第五屆全國大學生金相技能大賽所供比賽試樣成分檢定表（優質鋼標準）

3 金相標準試樣的應用

3.1 實驗教學應用

金相標準試樣解決了實驗教學需要大量成分穩定、組織正確金相試樣的問題。自2011 年以來材料科學與工程、高等工程師學院7 年共有2 500多名學生使用中心研制金相標準試樣接受實驗教學。其中，實驗課“過冷奧氏體等溫轉變曲線的測量”使用試樣根據實際教學需求制作外形尺寸，大大方便學生的實驗操作，人均節省時間10 min以上。

鐵碳合金組織系列試樣應用于“材料科學基礎”“金屬學”“金屬材料學”“金屬材料熱處理”等課程的實驗教學。學生觀察鐵碳合金試樣碳含量從小于0.021 8%逐漸增加至5%。根據教學要求還可增加特定碳含量的鐵碳合金觀察試樣。可結合相應實驗教學虛擬實驗使用［13］，讓學生先使用觀察用試樣，學習標準金相組織的形貌、構成，隨后使用操作用試樣進行實驗操作，最后對比個人實驗結果與標準試樣的差異進行分析，大大增強學生的實踐能力和分析能力。

實驗教學標準試樣可根據教學要求調整成分、組織形貌。自2015 年起，許多高校將實驗教學標準試樣應用于自身實驗教學中（見表3），穩定的成分、組織形貌和根據使用要求調整的外形有力保證了實驗教學順利進行。

表3 應用金相標準試樣教學及培訓高校數量和使用量統計表

3.2 大學生科研訓練計劃（SRTP）應用

在大學生科研訓練計劃（SRTP）中，系列金相試樣也得到廣泛應用。材料及相關專業科研創新活動中，金相制樣后觀察分析材料組織是非常普遍和基礎的科研步驟。金相制樣是金屬材料及相關專業研究生的基本技能。加入大學生科研創新活動的很多一年級、二年級本科生尚未經過專業課程教學。試樣成分均勻、組織穩定，可保證參加SRTP 的大學生科研學習的正確性，培養大學生實踐能力。

3.3 大學生專業學科競賽應用

金相標準試樣為專業學科競賽提供了質量均一、確保比賽公平性的標準化試樣平臺。2011 年6 月首屆北京科技大學大學生金相實驗技能大賽開始使用該系列試樣進行比賽。至2016 年，標準試樣應用于連續6 屆北京科技大學校內大學生金相實驗技能大賽暨全國大學生金相技能大賽選拔賽，有力保障了比賽進行。2015 年教育部材料類專業教學指導委員會主辦第四屆全國大學生金相技能大賽，將中心研制標準試樣指定為大賽專用試樣。此后連續4 屆大賽相繼使用金相標準試樣作為復賽、決賽樣品（見圖4）。試樣受到大賽組委會、評委會和參賽高校師生的一致好評，對“以賽促學”提高學生學習積極性提高綜合素質發揮了積極推動作用［14-16］。

圖4 2015 ～2019年全國大學生金相技能大賽提供標準試樣統計

3.4 科研實驗應用

金相標準試樣解決了高校及廠礦企業研究所進行科研實驗時，需要定制試樣成分、組織及外形的問題。常有很多實驗教學尤其是科研實驗需要特定成分、組織試樣進行教學、實驗，而該成分合金無廠家生產。中心金相試樣可根據需要進行定制，打破了金相實驗教學或科研實驗在試樣成分、組織等方面的限制。

因為金相標準試樣生產過程精準，品質穩定可靠，具有先進性和實用性，自開發研制以來被大量使用。自2015 年至2019 年累計有全國210 多所高校、企業單位使用金相實驗教學標準試樣超過50 000 件。

4 建設成效

金相標準試樣的研制與應用，徹底避免了因成分、組織不正確影響實驗教學的問題，并可根據實驗教學需求調整成分、組織、工藝步驟與外形尺寸，提高了實驗教學效率，便于本科實驗教學的開展，并為專業學科競賽提供可靠、公平的基礎平臺，使用效果良好。金相標準實驗的研制使用，有助于更多科研實踐活動的開展和本科生動手能力、創新能力的培養。

同時，通過研制金相標準試樣，整合了國家級實驗教學示范中心的優質教學資源和儀器設備資源，提高了大型儀器設備利用率，打造了一支高水平科研生產隊伍。結合金相標準試樣拍攝編寫金相圖譜1 冊，通過標準試樣、金相圖譜和虛擬仿真實驗［13］結合推廣，發揮國家級實驗教學示范中心的示范作用，推動學科實驗教學水平發展。

5 結 語

北京科技大學材料國家級實驗教學示范中心結合優質教學資源，國家教學名師、北京市教學名師參與設計研制了多系列金相標準試樣。金相標準試樣的研制具有先進規范的生產工藝、嚴格的質量檢驗，獲得北京科技大學實驗技術成果獎特等獎。金相標準試樣已在實驗教學、SRTP、大學生專業學科競賽、科研實驗等多領域應用，評價反饋良好，為推廣優質教學資源、提升實驗教學質量、推動大學生競賽開展發揮了重要作用，并發揮了國家級實驗教學示范中心的示范作用。