科教融合視域下“金屬力學(xué)性能”課程教學(xué)案例建設(shè)

摘 要：本文借助科教融合和案例教學(xué)相結(jié)合的方法，在材料科學(xué)與工程學(xué)科本科生“金屬力學(xué)性能”課程中，建設(shè)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能教學(xué)案例，即通過(guò)將石墨烯納米片和碳化硅納米顆粒作為增強(qiáng)相引入鋁基體中，大幅提高純鋁的強(qiáng)韌性，使復(fù)合材料獲得高比強(qiáng)度、比模量的同時(shí)，兼具塑性、加工性。案例來(lái)自科研實(shí)例，將其與課程內(nèi)容相關(guān)聯(lián)，可提高課堂教學(xué)信息量，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)校以此來(lái)拓展學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)、工程能力、創(chuàng)新思維，不斷培養(yǎng)符合國(guó)家建設(shè)需求的材料類拔尖創(chuàng)新人才，并取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：科教融合；案例教學(xué)；鋁基復(fù)合材料；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG148；G642.0" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

科教融合是“雙一流”高校的基本辦學(xué)策略之一［12］，案例教學(xué)是培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的有效方法［3］。作為材料科學(xué)與工程學(xué)科本科生的必修課之一，“金屬力學(xué)性能”主要介紹金屬材料力學(xué)行為的一般規(guī)律、物理本質(zhì)、性能測(cè)試及評(píng)價(jià)，以及組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，兼具理論與實(shí)踐意義。以“金屬力學(xué)性能”課程為例，開(kāi)展教學(xué)案例建設(shè)，對(duì)于提升材料類拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)質(zhì)量具有重要作用。

1 案例背景

金屬基復(fù)合材料因其優(yōu)異的機(jī)械性能，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事國(guó)防、空間、電子、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域［46］。其中，鋁基復(fù)合材料因具有密度低、高比強(qiáng)度、高比模量、良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、尺寸穩(wěn)定性以及低熱膨脹性等優(yōu)異性能［78］，應(yīng)用最為廣泛。現(xiàn)階段，大多數(shù)鋁基復(fù)合材料只是加入單一增強(qiáng)相，而混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料則利用兩種及以上增強(qiáng)相的優(yōu)勢(shì)和混雜效應(yīng)，對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行不同層面以及尺度上的優(yōu)化，使得復(fù)合材料具備更高的耐磨性、更好的熱穩(wěn)定性以及更優(yōu)異的綜合力學(xué)性能等［4，9］。

2 試驗(yàn)材料與方法

選取粒徑為約10μm的4N級(jí)1A99工業(yè)高純鋁粉作為基體原料，選取粒徑在100nm以下碳化硅納米顆粒（SiCnp）以及單層厚度為0.34nm的石墨烯納米片（GNS）作為增強(qiáng)相。采用粉末冶金工藝結(jié)合熱擠壓二次變形工序制備得到了增強(qiáng)相分散均勻的（GNS+SiC）/Al復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱復(fù)合材料），其中SiCnp和GNS的含量分別為03vol.%和3.0vol.%。使用掃描電子顯微鏡（SEM）、電子背散射衍射探頭（EBSD）分析顯微組織，采用高溫彈性模量與阻尼測(cè)試儀進(jìn)行樣品的室溫彈性模量測(cè)試，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試。

3 案例解析

3.1 顯微組織

金屬材料的力學(xué)性能很大程度上由材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)所決定。圖1為復(fù)合材料及純鋁的擠壓態(tài)樣品的EBSD晶粒形貌圖。結(jié)果表明，經(jīng)熱擠壓后，晶粒沿?cái)D壓方向被拉長(zhǎng)。同時(shí)，復(fù)合材料中在被拉長(zhǎng)的變形晶粒周圍存在很多細(xì)小的再結(jié)晶晶粒。引入增強(qiáng)相后，材料平均晶粒尺寸由2.2μm［圖1（a）］明顯減小至1.0μm［圖1（b）］。這是由于GNS、SiCnp納米相位于晶界處，有效阻礙了晶粒的生長(zhǎng)，同時(shí)作為形核位點(diǎn)促進(jìn)了材料的再結(jié)晶。在材料變形過(guò)程中，晶界阻礙位錯(cuò)的滑移，晶粒細(xì)化后，晶界數(shù)量可得到大幅提高，從而使得位錯(cuò)越過(guò)晶界所需的能量增大。一般認(rèn)為，晶粒越細(xì)小，晶界數(shù)量越多，對(duì)位錯(cuò)滑移的阻礙作用越強(qiáng)，材料強(qiáng)度越會(huì)提升。與此同時(shí)，材料內(nèi)晶粒細(xì)化、數(shù)量增多意味著在變形過(guò)程中處于滑移有利方位的晶粒數(shù)量也會(huì)增多，滑移量分散在各個(gè)晶粒中使得應(yīng)力集中程度減小，從而減少材料開(kāi)裂機(jī)會(huì)，獲得較大的塑性變形量。

（a）復(fù)合材料"""""" （b）純鋁

圖1 復(fù)合材料及純鋁的擠壓態(tài)樣品的EBSD晶粒形貌圖

3.2 力學(xué)性能

力學(xué)性能是顯微組織的外在表現(xiàn)，是金屬基復(fù)合材料最關(guān)鍵的性能指標(biāo)，也是“金屬力學(xué)性能”課程教學(xué)內(nèi)容的核心。對(duì)在相同制備工藝下熱擠壓制備的純鋁和復(fù)合材料進(jìn)行室溫下拉伸性能測(cè)試，得到的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖2所示，并以此獲得材料屈服強(qiáng)度（σs）、抗拉強(qiáng)度（σm）、彈性模量（E）、延伸率（δ）、真應(yīng)力（σtrue）、真應(yīng)變（εtrue）等拉伸力學(xué)性能指標(biāo)。其中，屈服強(qiáng)度是金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的屈服極限，也就是抵抗微量塑性變形的應(yīng)力。在本案例中，兩組材料的拉伸曲線并未出現(xiàn)明顯的屈服平臺(tái)，對(duì)于這類無(wú)明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，規(guī)定以產(chǎn)生0.2%殘余變形的應(yīng)力值作為其屈服強(qiáng)度，在試樣拉伸過(guò)程中最大試驗(yàn)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度，而延伸率反映了材料塑性變形的能力。金屬材料在彈性變形階段，其應(yīng)力（σ）和應(yīng)變（ε）成正比例關(guān)系，符合胡克定律［式（1）］，彈性模量則反映了材料產(chǎn)生彈性變形的難易程度，是有關(guān)材料剛度的指標(biāo)，主要取決于材料的化學(xué)成分，與其組織變化、熱處理狀態(tài)、加工狀態(tài)無(wú)關(guān)。

表1為根據(jù)拉伸試驗(yàn)得到的應(yīng)力—應(yīng)變曲線［圖2（a）］所得出的復(fù)合材料和純鋁的力學(xué)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)。可以看出，復(fù)合材料較純鋁的彈性模量明顯提高：由68.6GPa升高到81.2GPa；屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也得到了同步提升，但復(fù)合材料的延伸率由17.2%下降至3.7%，這可能是由于鋁基體內(nèi)位錯(cuò)密度提高，以及存在增強(qiáng)相的團(tuán)聚，使得材料發(fā)生早期開(kāi)裂。

值得注意的是，在對(duì)樣品進(jìn)行拉伸時(shí)，工程應(yīng)力是根據(jù)樣品的原始橫截面積計(jì)算得出的，忽略了施加載荷的增加引起的橫截面積變化，因此掩蓋了材料的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)。真應(yīng)力和真應(yīng)變需要以瞬時(shí)的截面面積和試樣長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)去定義，材料的應(yīng)變硬化會(huì)使真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線一直向上，更能體現(xiàn)材料的真實(shí)物理屬性。基于拉伸測(cè)試得出的純鋁和復(fù)合材料的工程應(yīng)力（σnom）和工程應(yīng)變（εnom），利用式（2）和式（3）可計(jì)算得出其真應(yīng)力和真應(yīng)變：

σtrue=σnom×（1+εnom）（2）

εtrue=ln（1+εnom）（3）

此外，材料加工硬化能力對(duì)于其材料均勻塑性變形能力也十分關(guān)鍵。通過(guò)真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線，利用式（4），可計(jì)算得到材料的名義加工硬化率曲線，由此可知材料的加工硬化行為。

R=1σtruedσtruedεtrue（4）

其中，R—名義加工硬化率，1；σ—材料的真應(yīng)力，MPa；ε—材料的真應(yīng)變，1。

復(fù)合材料以及純鋁的加工硬化曲線如圖2（b）所示，復(fù)合材料加工硬化率較純鋁得到明顯改善，這是由于SiCnp和GNS作為納米尺寸增強(qiáng)粒子均勻分散在鋁基體中，當(dāng)材料變形時(shí)，移動(dòng)位錯(cuò)受到高強(qiáng)的硬質(zhì)粒子的阻礙而無(wú)法通過(guò)，于是在增強(qiáng)粒子前產(chǎn)生彎曲，繼之因彎曲的異號(hào)位錯(cuò)對(duì)消，留下位錯(cuò)環(huán)，位錯(cuò)線繞過(guò)微粒再繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)（Orowan強(qiáng)化機(jī)制）。根據(jù)位錯(cuò)理論，位錯(cuò)線彎曲到第二相粒子之間間距的一半時(shí)所需切應(yīng)力τ達(dá)到最大，可根據(jù)式（5）計(jì)算：

τ=Gb/λ（5）

其中，G—切變彈性模量；b—柏氏矢量；λ—兩微粒的間距。

當(dāng)外加應(yīng)力超過(guò)最大切應(yīng)力時(shí)，位錯(cuò)線繞過(guò)第二相粒子，在粒子周圍形成位錯(cuò)環(huán)，如此重復(fù)后，后來(lái)通過(guò)的粒子有效尺寸增大受到阻礙，粒子間距λ減小，使得位錯(cuò)繞過(guò)粒子的難度加大，這意味著材料塑性變形抗力不斷增大，強(qiáng)度顯著提高。增強(qiáng)粒子在基體中的平均間距λ以及由Orowan強(qiáng)化帶來(lái)的強(qiáng)度增量ΔσOR可由式（6）和式（7）計(jì)算得到：

λ=d3π6fv（6）

ΔσOR=2Gb2π（1-ν）1/21λlndb（7）

其中，G為基體鋁的剪切模量；b為基體鋁的柏氏矢量；ν為基體鋁的泊松比；d為增強(qiáng)粒子的平均直徑；fv為增強(qiáng)粒子的體積分?jǐn)?shù)。

3.3 拉伸斷口形貌分析

斷裂是金屬材料的主要失效形式之一，對(duì)斷口形貌特征進(jìn)行觀察分析是尋找斷裂原因和探究斷裂機(jī)理的重要手段。相同制備工藝下復(fù)合材料以及純鋁的拉伸斷口如圖3所示。純鋁的矩形斷口形貌中，可以觀察到明顯的頸縮現(xiàn)象，表現(xiàn)出韌性斷裂特點(diǎn)，由斷口內(nèi)部向表面表現(xiàn)出纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇的區(qū)域特征。同時(shí)，在斷口表面分布著許多底部光滑的圓形韌窩。

（a）純鋁"""""" （b）純鋁

（c）純鋁"""""" （d）復(fù)合材料

（e）復(fù)合材料"""""" （f）復(fù)合材料

圖3 復(fù)合材料及純鋁拉伸斷口形貌

相比之下，復(fù)合材料低倍下的斷口形貌未顯示出韌性斷裂的特征。純鋁與復(fù)合材料的斷口形貌差別明顯：純鋁斷口表面韌窩分布均勻，而在復(fù)合材料斷口呈現(xiàn)出層狀特征，這是由于復(fù)合材料維持了原材料粉末中片狀粉末堆疊的形態(tài)。同時(shí)，復(fù)合材料斷口表面均勻分布著大小不一的韌窩和撕裂棱，和純鋁相比較，其韌窩尺寸減小，斷裂模式仍屬于微孔聚集型斷裂。在復(fù)合材料中，微孔的形成是由于位錯(cuò)在界面處塞積造成界面分離或第二相粒子與基體之間發(fā)生界面剝離而成核的。韌窩的密度與大小與第二相粒子的尺寸和密度有關(guān)，第二相密度大，韌窩尺寸減小；如第二相密度小、均勻分布且基體塑性好，韌窩則大而深。一般而言，韌窩尺寸越大表明材料斷裂前產(chǎn)生的塑性變形越大，塑性越好。此外，在復(fù)合材料中，可觀察到與基體脫黏的GNS團(tuán)聚，GNS團(tuán)聚與基體界面結(jié)合不良會(huì)使得在拉伸過(guò)程中GNS團(tuán)聚與基體脫黏，促進(jìn)了裂紋萌生，從而導(dǎo)致了材料的早期開(kāi)裂現(xiàn)象，塑性降低。

結(jié)語(yǔ)

本案例通過(guò)將GNS和SiCnp作為增強(qiáng)相引入鋁基體中，大幅提高了純鋁的強(qiáng)韌性，使復(fù)合材料獲得高比強(qiáng)度、比模量的同時(shí)，兼具塑性、加工性。案例來(lái)源于筆者自身的科研課題，通過(guò)將科學(xué)研究與課堂教學(xué)相結(jié)合的方法，旨在讓學(xué)生掌握金屬力學(xué)性能領(lǐng)域基礎(chǔ)理論，體會(huì)科研問(wèn)題研究過(guò)程中的方式方法，以此激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。近年來(lái)，“金屬力學(xué)性能”課程已成為材料科學(xué)與工程學(xué)科本科生的基礎(chǔ)性、啟發(fā)性課程之一，深受學(xué)生的歡迎。

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基金項(xiàng)目：黑龍江省高等教育學(xué)會(huì)高等教育研究課題（23GJYBG003）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2022YFB3705703）

作者簡(jiǎn)介：錢明芳（1987— ），女，漢族，浙江湖州人，博士研究生，教授，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)—功能一體化金屬及其復(fù)合材料。

*通信作者：耿林（1964— ），男，漢族，河北薊縣人，博士研究生，教授，主要研究方向?yàn)檩p質(zhì)耐熱金屬基復(fù)合材料。