侯 瓊

(華南師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510631)

《金屬材料學(xué)》是一門材料科學(xué)理論與實際應(yīng)用結(jié)合較強的學(xué)科基礎(chǔ)課。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握各類金屬材料的成分、組織和熱處理工藝特點及其之間的關(guān)系，能夠根據(jù)零件的服役條件，合理地設(shè)計材料的成分并制定適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚕荒軌蚋鶕?jù)所學(xué)理論知識選擇和使用金屬材料、具有從事金屬材料研究和加工的能力以及解決工程應(yīng)用中實際問題的能力。該課程包括的知識點多且較零散、理論性和實踐性都較強，要求學(xué)生要有較好的專業(yè)基礎(chǔ)知識，但是學(xué)生之前所學(xué)的與金屬材料有關(guān)的先修課較少，基礎(chǔ)知識較薄弱。因此，學(xué)生學(xué)習(xí)會感到困難，很難將所學(xué)知識融會貫通。怎樣提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，筆者對近年來的教學(xué)談?wù)勛约旱捏w會。

1 多提問，讓學(xué)生積極參與課堂教學(xué)

金屬材料的應(yīng)用非常廣泛，學(xué)生對金屬材料并不陌生，日常生活中經(jīng)常可見各種金屬材料。因此，可以讓學(xué)生觀看各種金屬材料的圖片，如建筑、橋梁、船舶、各種各樣的機器零件以及日常生活用金屬材料等。以生活中實際應(yīng)用的金屬材料為例進(jìn)行分析，如剛買回來的不銹鋼用品看上去亮晶晶的，但使用過一段時間后發(fā)現(xiàn)表面變得灰暗。讓學(xué)生思考為什么不銹鋼能不銹？不銹是絕對的嗎？又比如有些鋼制品使用長時間后表面整體銹蝕，而有些卻是形成點狀蝕坑？有一些機器零件，工作時零件的表面和心部受力情況不同，要求表面和心部具有不同的力學(xué)性能，怎樣才能達(dá)到要求？高鐵、宇宙飛船上使用的金屬材料有哪些？硫和磷是碳鋼中的長存雜質(zhì)，在易削鋼中它們還是雜質(zhì)嗎？它們對易削鋼的性能有什么影響？授課過程中實時提問，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，有效地參與到課堂中，這樣就可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的好奇心，希望從后續(xù)的課程中獲得答案。

2 具體問題采用案例說明

教學(xué)過程中，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容穿插適當(dāng)?shù)膶嶋H例子來吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)習(xí)興趣。如學(xué)習(xí)工程構(gòu)件用鋼時，為了幫助學(xué)生理解工程構(gòu)件用鋼要有足夠的低溫韌性，以二戰(zhàn)期間，美國4 000多艘運輸船在使用過程中由于材料的低溫韌性不足導(dǎo)致有近20%的船只發(fā)生斷裂事故的事件為例來分析，讓學(xué)生充分理解材料的成分和性能之間的關(guān)系。又比如講結(jié)構(gòu)鋼的強度與脆性時，以“泰坦尼克號”巨輪沉沒事件為例分析。“泰坦尼克號”造船用的是當(dāng)時最優(yōu)質(zhì)的鋼材，但卻在首航時受到冰山撞擊船體產(chǎn)生裂紋后在僅僅3個小時內(nèi)就沉入海底，引起世人震驚。以該事件為例，引導(dǎo)學(xué)生思考“泰坦尼克號”在短短的幾個小時內(nèi)沉沒的原因。講鋼的電化學(xué)腐蝕原理時，以格林太太口腔中的兩顆不同材質(zhì)的金屬假牙導(dǎo)致頭疼為例，兩種不同的金屬與唾液構(gòu)成了一個原電池產(chǎn)生了電化學(xué)腐蝕。重慶市綦江縣彩虹橋整體垮塌事故，其中一個原因就是主拱鋼管焊接存在裂紋、氣孔、夾渣等嚴(yán)重缺陷。針對消費者在使用某品牌菜刀拍蒜時發(fā)生菜刀斷裂的事件，引導(dǎo)學(xué)生思考菜刀發(fā)生斷裂的原因可能是由于制造菜刀的鋼韌性不足。菜刀是一種工具，工具鋼除了要有高的強度和硬度之外，還需要具有一定的韌性。引導(dǎo)學(xué)生思考要達(dá)到這樣的性能要求，工具鋼應(yīng)怎樣進(jìn)行成分設(shè)計及制定熱處理工藝。讓學(xué)生從具體的案例中去領(lǐng)悟材料的成分設(shè)計和加工工藝的重要性，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真的學(xué)習(xí)態(tài)度。

除了實際案例之外，還可以采用文獻(xiàn)案例法。由于受到篇幅的限制，教材對具體鋼種的實際應(yīng)用的例子較少，在講具體鋼種的應(yīng)用時，可引用文獻(xiàn)說明。在講解滲碳鋼時，除了要讓學(xué)生了解滲碳是一種化學(xué)熱處理，掌握滲碳的原理和方法以及滲碳鋼的使用條件及性能要求以外，還需要了解滲碳零件在加工和使用過程中可能存在的各種問題。這里可以引用文獻(xiàn)說明，同時也可以讓學(xué)生自己查閱文獻(xiàn)，從文獻(xiàn)中去分析總結(jié)滲碳零件在加工和使用過程中可能存在的各種問題。例如滲碳鋼20CrMnTi被廣泛用于制造承受高速、沖擊及摩擦的重要零件，但在加工過程中存在開裂問題。文獻(xiàn)“20CrMnTi圓鋼加工開裂原因分析及改進(jìn)措施”分析了導(dǎo)致加工開裂的原因來自煉鋼夾雜物、冷卻不均、軋鋼折疊等方面，并提出了改進(jìn)措施[1]。通過文獻(xiàn)“國內(nèi)外滲碳和滲氮工藝的新進(jìn)展”了解滲碳和滲氮熱處理工藝在高溫滲碳、深層滲碳、高濃度滲碳、真空滲碳淬火、活性屏離子滲氮、不銹鋼固溶滲氮和不銹鋼的低溫滲氮和滲碳方面的發(fā)展，讓學(xué)生了解滲碳和滲氮熱處理工藝技術(shù)的發(fā)展前景[2-3]。高速鋼具有較高的硬度、耐磨性和紅硬性等，廣泛應(yīng)用于高速切削刀具等。但是高速鋼中合金元素含量較高，由于合金元素的影響，其熱處理溫度較高，在熱處理過程中易產(chǎn)生過熱、過燒等熱處理缺陷導(dǎo)致高速鋼刃具出現(xiàn)斷裂等情況。研究高速鋼刃具的文獻(xiàn)很多，我們可以通過閱讀文獻(xiàn)進(jìn)一步了解高速鋼的熱處理缺陷及其預(yù)防措施。如文獻(xiàn)“W6Mo5Cr4V2Al高速鋼麻花鉆斷裂原因分析”中分析了麻花鉆在熱處理過程中發(fā)生了過熱、過燒，導(dǎo)致基體內(nèi)形成共晶萊氏體和大量網(wǎng)狀碳化物，冷卻時在表面形成較高的拉應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力大于材料的斷裂強度時產(chǎn)生沿晶裂紋，在隨后的校正過程中，在外力作用下發(fā)生了斷裂[4]。不銹鋼是一類特殊性能的鋼種，在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中得到了廣泛應(yīng)用。 鋼的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，包括一般腐蝕、點腐蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕，后面三種腐蝕不允許發(fā)生。一般情況下不銹鋼具有很好的耐蝕性是因為不銹鋼中含有大量的合金元素鉻，在鋼表面形成一層致密穩(wěn)定的鈍化膜，但在加工或使用過程中仍然會發(fā)現(xiàn)有些不銹鋼制品會出現(xiàn)銹蝕的現(xiàn)象。比如某公司生產(chǎn)的430不銹鋼冷軋退火板用于洗衣機內(nèi)筒的原材料，在加工成型的沖孔處發(fā)現(xiàn)部分銹蝕缺陷[5]。衛(wèi)海瑞等通過金相組織觀察、夾雜物成分分析、缺陷形貌觀察以及成分分析等試驗分析了銹蝕產(chǎn)生的原因是由于鋼板沖孔處較大的變形使試樣表面的鈍化膜減薄或者破壞，工況環(huán)境中的氯離子穿透表面鈍化膜而引發(fā)銹蝕。因此在生產(chǎn)過程中應(yīng)避免試樣長期處于潮濕介質(zhì)中，可有效防止殘留氯離子破壞表面鈍化膜，顯著降低銹蝕缺陷的發(fā)生。王琳等[6]探究了304不銹鋼在淡化海水摻混水下的腐蝕行為，認(rèn)為點腐蝕和由點腐蝕引起的均勻腐蝕仍是此環(huán)境下不銹鋼腐蝕的主要類型，腐蝕產(chǎn)物主要有γ-FeOOH、α- FeOOH(針鐵礦)、Fe3O4(磁鐵礦)、NiO和Cr2O3。奧氏體不銹鋼在一定的條件下容易發(fā)生晶間腐蝕，通過閱讀文獻(xiàn)“某220 kV變電站水管腐蝕開裂原因”可以進(jìn)一步了解晶間腐蝕產(chǎn)生的原因及其危害[7]。該變電站水管材質(zhì)為12Cr17Mn6Ni5N鉻錳不銹鋼，利用化學(xué)成分分析、顯微組織檢驗、斷口形貌分析、腐蝕產(chǎn)物形貌及能譜分析等試驗方法進(jìn)行試驗分析發(fā)現(xiàn)，晶間腐蝕是造成水管腐蝕泄漏的主要原因，而介質(zhì)中的氯離子進(jìn)一步加快了管道的腐蝕速度。學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)，可以更好地掌握不銹鋼產(chǎn)生腐蝕的原因及預(yù)防措施，加深對理論知識的理解和掌握。通過文獻(xiàn) “超超臨界機組用HR3C奧氏體耐熱鋼研究進(jìn)展”[8]、“釩微合金化鋼的技術(shù)進(jìn)展與應(yīng)用”[9]了解當(dāng)今科技前沿的傳統(tǒng)材料的新應(yīng)用、新材料、新理論、新技術(shù)等知識。同樣地，我們也可以采用文獻(xiàn)案例法幫助學(xué)生理解和掌握其他的知識點。

3 抓住主線，及時對知識點進(jìn)行歸納總結(jié)

合金化原理是后續(xù)章節(jié)的理論基礎(chǔ)，是該課程最重要的章節(jié)，要求學(xué)生要很好地理解和掌握。講授這部分內(nèi)容時可以采用思維導(dǎo)圖列出該章節(jié)的主要內(nèi)容，讓學(xué)生一目了然。 讓學(xué)生理解合金元素與鐵、碳以及不同的合金元素之間的相互作用規(guī)律、理解合金元素對鐵碳相圖的影響規(guī)律，對這部分內(nèi)容融會貫通。學(xué)習(xí)具體的鋼種時，以合金化理論為基礎(chǔ)，緊緊抓住一條主線：零部件的服役條件——性能要求——成分設(shè)計——強化工藝——組織結(jié)構(gòu)——使用性能。如船舶用鋼屬于工程結(jié)構(gòu)鋼，先要了解船舶的服役條件——通常受大氣和海水的浸蝕、還受到疲勞沖擊。在這樣的環(huán)境下工作，要求船舶用鋼要有足夠的強韌性、特別是低溫韌度和較高的疲勞強度，同時還要求有良好的焊接性、成型工藝性及良好的耐腐蝕性。要達(dá)到這樣的性能，需要從成分設(shè)計和強化工藝兩個方面考慮。成分設(shè)計上，可以考慮低碳、加入適量的合金元素提高強度；強化工藝方面可以采用熱軋控冷工藝。然后分析在所設(shè)計的成分和強化工藝條件下所獲得的組織結(jié)構(gòu)能否滿足使用性能要求。如軸承鋼在高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速下工作，同時要求高靈敏度，因此要求軸承鋼具有高而均勻的硬度和耐磨性、高接觸疲勞強度、一定的韌性以及良好的尺寸穩(wěn)定性和耐蝕性。要達(dá)到上述要求，則需要從冶金質(zhì)量、化學(xué)成分和加工工藝三個方面考慮。冶金質(zhì)量要求材質(zhì)純凈和組織均勻；成分設(shè)計上采用高碳再加入適量的合金元素鉻、硅、錳和釩等合金化；采用淬火以后低溫回火進(jìn)行熱處理強化。又比如刃具鋼受到彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、沖擊、振動、摩擦等作用，要求具有高硬度、高耐磨性、一定的塑韌性。為了滿足性能要求，一般采用高碳結(jié)合鉻、硅、錳、鎢和釩等合金元素復(fù)合合金化，熱處理強化工藝采用淬火并低溫回火。鍋爐管道、緊固件、汽輪機轉(zhuǎn)子、葉片、排氣閥等在高溫下工作，同時還承受較大的載荷，還與高溫蒸汽、空氣或燃?xì)饨佑|，表面發(fā)生高溫氧化或氣體腐蝕。因此要求良好的高溫強度和塑性；足夠高的高溫化學(xué)穩(wěn)定性，常采用鉻、鋁和硅等進(jìn)行合金化。對每一個鋼種的學(xué)習(xí)都圍繞這條主線展開，抓住了主線，就能夠把零散的知識點有機地結(jié)合起來，可以更好地理解和掌握所學(xué)的知識。

在教學(xué)過程中要善于引導(dǎo)學(xué)生對所學(xué)知識及時歸納總結(jié)。學(xué)習(xí)合金化原理時，可根據(jù)合金元素在鋼中的存在形式進(jìn)行分類歸納總結(jié)。合金元素可以以鐵基固溶體形式存在，可以與碳或氮形成碳化物或氮化物，合金元素之間還可以形成金屬間化合物，總結(jié)合金元素在每種存在形式下對鐵碳合金性能的不同影響。鋼中加入的合金元素種類很多，而且每種合金元素可能會在不同種類的鋼中出現(xiàn)，它們在不同鋼中的作用是不同的，需要綜合分析，比較它們的性能和用途。如合金元素鉻，可以在調(diào)質(zhì)鋼、耐熱鋼、不銹鋼、軸承鋼以及模具鋼中出現(xiàn)，但是它們的作用卻不同。對于其它常用的合金元素硅、錳、鎢、鉬、釩、鎳等可以采用同樣的方法歸納總結(jié)。又比如同種牌號的鋼，采用不同的熱處理工藝可以獲得不同的組織，從而獲得不同的力學(xué)性能。如40CrNiMo鋼，淬火并高溫回火后可獲得優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，可作為調(diào)質(zhì)鋼使用，而經(jīng)過淬火并低溫回火后可獲得高強度，可作為超高強度結(jié)構(gòu)鋼使用。我們還可以按照服役條件和使用性能的要求去歸納總結(jié)，相同的服役條件和使用性能要求，可以選擇哪些金屬材料，怎樣制定熱處理工藝等。通過歸納總結(jié)，可以把零散的知識點串聯(lián)起來，達(dá)到融會貫通的目的。

4 充分利用網(wǎng)絡(luò)資源

金屬材料的熱處理是獲得良好使用性能的重要保障，只有采用正確的熱處理才能獲得所需的組織和性能。而教材中鋼材的熱處理偏重于理論，內(nèi)容較抽象，生產(chǎn)實例相對較少，學(xué)生理解有一定的難度。金屬材料常用的熱處理工藝“四火一化”，“四火”即退火、正火、淬火和回火；而“一化”指化學(xué)熱處理。雖然學(xué)生能夠從理論上理解“四火一化”的意義，但學(xué)習(xí)時仍然感到有點茫然，由于熱處理的時間都比較長，學(xué)生沒有條件去工廠實地參觀學(xué)習(xí)，因此，我們可以充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，可以從網(wǎng)上下載各種熱處理工藝的實際操作視頻，讓學(xué)生身臨其境地熟悉各種熱處理工藝，幫助學(xué)生加深理解。

由于課程的課時有限，而需要講授的內(nèi)容很多，不能在有限的時間內(nèi)完成所有內(nèi)容的教學(xué)。因此，除了傳統(tǒng)的線下課堂授課模式之外，還可以采用線上線下結(jié)合模式來教學(xué)。將需要拓展的內(nèi)容錄制成教學(xué)視頻放到礪儒云課堂，同時將一些優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)視頻也放到礪儒云課堂，讓學(xué)生在課后隨時學(xué)習(xí)。同時，在礪儒云課堂中針對每個章節(jié)的重難點都設(shè)置了課后小測驗，通過練習(xí)讓學(xué)生對每個章節(jié)的主要內(nèi)容能很好地理解和掌握。還可以在每次課的前幾分鐘針對上次課的主要內(nèi)容作課前小測，既可以讓學(xué)生集中精力也可以復(fù)習(xí)回顧之前的學(xué)習(xí)內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)效率。

5 結(jié) 語

金屬材料學(xué)所講授的所有金屬材料都與工程應(yīng)用息息相關(guān)，因此這門課程的教學(xué)應(yīng)該立足于金屬材料的實際應(yīng)用，以培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力為目標(biāo)。因此可以采用多種教學(xué)方法，授課內(nèi)容不能僅僅局限于課本，要將理論知識與工程應(yīng)用緊密聯(lián)系起來，使學(xué)生能夠正確認(rèn)識和合理使用金屬材料，并能夠解決一些實際問題。