工程材料課程實踐教學改革研究

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.05.145

摘 要 工程材料課程內容理論性強，理解較難。結合教學科研體會，采用實驗的方式從實踐的角度對教學進行改革，在講授理論課的同時，以45號鋼為例，在成分配比、熔煉、磨拋、組織觀察等環節進行一系列實踐教學，將理論學習與實際操作相結合，激發學生的學習興趣，培養學生的動手實踐能力和創新意識。結果表明，該模式對工程材料課程建設與教學改革具有一定的參考意義。

關鍵詞 工程材料；實踐教學；45號鋼；實踐能力

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）05-0145-03

0 引言

工程材料是機械類專業的一門基礎理論必修課程，主要介紹各種材料的成分、結構、組織、性能以及制造、加工和應用等相關知識。本課程的教學目的是使工科類學生掌握材料的力學性能及擁有特定條件下材料選取，了解材料內部結構，能看懂金屬相圖變化，對零件選擇合適冷、熱處理加工工藝的能力[1]。

單獨來看，工程材料課程存在“內容多，難度大，學時少，學生多”的現狀，如何保質保量地完成教學大綱要求，是任課教師必須面對的問題[2]。究其原因，一方面是隨著課程體系中課程數量的增加，實驗和實踐的課程安排學時被壓縮；另一方面是隨著國家對教育的投入增多，高校也進行了相應的擴招，學生數量增多，在實驗設備數量不變的情況下造成很多學生沒有機會動手參與。因此，為培養理論與實踐相結合的應用型本科人才，對工程材料課程進行改革刻不容緩[3-5]。

本文以45號鋼為例，在成分配比、熔煉、磨拋、組織觀察等環節進行一系列分組、分散式實踐教學，強化理論與實踐的結合，重視創新能力及實踐能力的提高，幫助學生更好地理解理論知識的同時提高學習興趣，為培養復合型、創新型人才奠定基礎[6-8]。

1 工程材料課程實踐教學設備的構成

學生對于理論知識的學習感到枯燥乏味，易產生“為什么要學”的困惑，乃至萌生厭學的錯誤觀念。將理論與實踐相結合，一方面可使學習不再枯燥乏味，另一方面可提高學生的學習興趣[9-10]。以45號鋼為例，結合成分配比、熔煉、磨拋、組織觀察等環節，搭建教學實踐平臺。

1.1 成分配比及熔煉設備

所用金屬及非金屬粉末采用萬分之一電子分析天平進行稱取，如圖1所示。該天平主要由無線感應器、電子顯示屏、自動風罩門、稱量基座構成；采用全量程去皮及自動內部校準，可讀性為0.000 1 g，

可保證成分配比的準確性。

熔煉設備采用KDH-300B非自耗真空電弧爐，如圖2所示。該真空爐主要由爐身、電焊機、機械泵、真空系統、控制液晶面板組成，熔煉溫度最高可達3 500 ℃，并且可以同時熔煉多個樣品，采用真空計測量真空，壓力傳感器和電磁閥保護爐內壓力，設備的功率為20 kW，最大可以熔煉出20 g的紐扣錠樣品。

1.2 金相組織制備及觀察設備

為獲得相同部位的試樣組織并且表面平整，需要使用切割技術切割鑄錠。所用的Byes-2A金相試樣切割機如圖3所示。該切割機最大轉速為2 800轉/分，最大切割面積（mm）為30×30，砂輪規格（mm）為Φ250×2×32。

XQ-2B金相試樣鑲嵌機如圖4所示，主要是針對不是整形、不易拿的微小金相試樣進行熱固性塑料壓制，成形后可方便地進行試樣磨拋操作，也有利于在金相顯微鏡下進行顯微組織測定。每次鑲嵌時間為8～10分鐘，試樣的壓制規格為：Φ22×

15 mm；Φ30×15 mm；Φ45×15 mm。溫度調節范圍為100～180 ℃。

制作金相試樣所用的MP-2B金相試樣研磨拋光機如圖5所示。該拋光機為雙盤式機，可兩人同時操作使用，適用于對金相試樣進行預磨、研磨和拋光操作。拋光盤的直徑大小為Φ200 mm，磨盤直徑大小為Φ230 mm，最大轉速可達1 000轉/分。

組織觀察所用的XJP-6A金相顯微鏡如圖6所示。該顯微鏡由觀察筒、目鏡、物鏡、載物臺、轉換器、攝像頭、偏光裝置、電源構成，可以分析和鑒別各種金屬、合金材料及非金屬物質的組織結構。

2 工程材料實踐教學環節設計

2.1 45號鋼成分配比

制備45號鋼之前需要明確45號鋼的主要成分，其主要成分為Fe和0.45%的C，Fe和C的配比為1 991∶9，用電子天平分別稱取Fe和C的質量。其中，Fe的元素含量如表1所示。

2.2 熔煉

常見的45號鋼熔煉方法有粉末冶金法、真空電弧爐熔煉法、增材制造、激光熔覆、感應電爐等方法。本次實踐教學采用的是真空電弧爐熔煉法。熔煉前需要先清洗工件電極、工具電極、端蓋及密封圈，之后將稱取的Fe和C依次按熔點的高低順序擺放在KDH-300B非自耗真空電弧爐內，然后利用分子泵抽至真空狀態進行熔煉。熔煉出的45號鋼如圖7所示。

2.3 切割、鑲嵌和磨拋

將熔煉出來的45號鋼利用Byes-2A金相試樣切割機將試樣切開。在鑲嵌機上進行鑲嵌，鑲嵌完之后利用磨拋機打磨拋光，最終成品如圖8所示。

2.4 金相組織觀察

45號鋼在不同工藝下表現的組織也不相同：正火時，組織表現為珠光體和鐵素體；退火時，組織表現為片狀珠光體和鐵素體；淬火時，組織表現為淬火馬氏體；低溫回火時，組織表現為回火馬氏體；中溫回火時，組織表現為回火屈氏體；高溫回火時，組織表現為回火索氏體；過熱淬火時，組織表現為粗大馬氏體；過熱正火時，組織表現為魏氏組織、珠光體和鐵素體；不完全淬火時，組織表現為馬氏體和鐵素體；淬火非正常組織時，組織表現為馬氏體和細珠光體。

為了更好地觀察該樣品的顯微組織，在觀察45號鋼之前需要使用侵蝕劑侵蝕或者擦拭樣品表面一定時間，所用的侵蝕液為4%的硝酸酒精溶液，通過金相軟件（如圖9所示），分析得到酸蝕后的45號鋼的金相組織（如圖10所示）。

3 結論

1）將工程材料的理論知識和實踐結合，一方面豐富教學內容，增強教學效果；另一方面讓學生直觀地理解和領會工程材料的內容，提高學生學習的積極性和興趣。見微知著，在課程實踐過程中，學生打開通往微觀世界的大門，掌握了從微觀結構到宏觀性能的分析方法。以小見大，在實踐中讓學生體會到動手實踐的重要性和團隊合作的力量。

2）本課程的改革培養了學生運用工程知識、使用現代工具，發現、思考和解決問題的能力，提高了學生的創新創業水平，為其今后的學習和科研打下良好基礎，使其成為能適應社會、經濟、科技發展需要，具有家國情懷、全球視野、創新精神和實踐能力的高層次專門人才。

參考文獻

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*項目來源：教育部產學合作協同育人項目（201902168012）。

作者：王鵬家，北京信息科技大學機電工程學院，講師，研究方向為數控技術與裝備；常城，北京信息科技大學機電工程學院，講師，研究方向為金屬材料加工；劉國慶，北京信息科技大學機電工程學院，高級實驗師，研究方向為數控技術與裝備；許冬，北京信息科技大學機電工程學院碩士研究生，研究方向為智能制造（100192）。