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1、56 中文网 iem【摘要】 工程材料是高等学校机类和近机类各专业学生必修的一门技术基础课，该 课程概念多、名词多、术语多、理论描述多，因此，在教学中，如何提高学生学习兴趣，提 高教学质量，培养学生具备工艺知识、工程实践能力是教学的关键。本文总结了笔者在教学 实践中的一些体会，针对课程特点，就如何突出教学主线、建立教学内容的紧密联系、改革 实验教学方法等方面进行了讨论。 中国论文网 【关键词】工程材料；教学；改革 Engineering material the study of teaching method Yu Jing-cheng，Li Yao，Luo De-jun 【Abstrac
2、t】 Engineering material BE the university and college machine each with near machine profession the technique foundation of a required door of the student lesson， should course concept many， word many， technical term many， theories description many， therefore， in the teaching， how exaltation student
3、 study interest， exaltation teaching quality， development students having craft knowledge， engineering fulfillment ability be the key of teaching.This text summary the writer is in the teaching the fulfillment of some realize， aim at a course characteristics， how outstanding teaching lord line， esta
4、blishment content of course of close contact， reform experiment teaching methods etc. carried on discussion. 【Key words】Engineering material；Teaching；Reform 一、突出主线，构建铁碳合金材料基本相、组织间的和谐关系 同学们在学习工程材料课程中，往往前后内容联系不起来，不能做到前后贯通，觉得课 程结构非常松散，再就是课程中需要记忆的东西太多，名词多且易混淆，特别是难以掌握铁 碳合金的基本相、平衡组织、非平衡组织（铁素体、奥氏体、渗碳体、马氏体、
5、贝氏体、珠 光体、索氏体、屈氏体、回火索氏体、回火屈氏体、回火马氏体等） 。本门课程以材料的成 分、组织、性能之间的关系为主线，课程主要内容包括有：材料的晶体结构、铁碳合金的平 衡组织、铁碳合金的非平衡组织、钢的热处理工艺、材料的种类及选用，材料的结构、组织 是后述热处理工艺的理论基础，材料的选用及工艺路线的安排就是前面所学知识的一个综合 运用的过程，环环紧扣。所以，教学中，须突出主线，理顺关系，帮同学们建立起课程前后 内容的紧密内在联系，夯实基础理论。在铁碳合金相关内容部分，基本相、组织前后内容贯 通的关键点要牢牢抓住铁的同素异构转变，即 -Fe -Fe（-Fe 略） ，它是前后内容联系 的
6、纽带。铁碳材料合金化时，铁和碳有二种结合方式，即铁碳形成金属化合物；另一种是碳 溶入铁中形成固溶体。所以，铁碳合金的基本相有（ 铁素体略）： 铁碳除了形成金属化合物 Fe3C 外，因铁有异构体，所以碳分别溶入 -Fe、-Fe 可以 形成二种不同结构的固溶体，奥氏体和铁素体，其中奥氏体、铁素体的结构分别对应 - Fe（面心立方） 、-Fe（体心立方）的结构，其性能都为强度低、塑性好的相（ 铁素体 略） ；而渗碳体相具有复杂斜方结构，塑性、韧性几乎为零，硬度高（800HV） ，是铁碳合金 的重要强化相。由于室温下铁以体心立方的 -Fe 形式存在，所以铁碳合金在室温下的组织 是由铁素体和渗碳体组成的
7、机械混合物，其性能是组成相铁素体、渗碳体性能的算术平均值。 为了便于学生形象的理解，可以把由铁素体、渗碳体组成的机械混合物比喻为水泥和沙子的 混合物，其中水泥相当于铁素体相，沙子相当于渗碳体在混合物中起强化作用。这样，通过 抓住铁的同素异构转变这个载体，将晶体结构的内容与铁碳合金的相结构、组织内容就有机 联系起来，便于同学们理解并掌握铁碳合金中的基本相（A、F、Fe3C）的构成、铁碳相图以 及铁碳合金的性能随成分变化的规律，并为学习钢的热处理工艺打下基础。热处理是将钢在56 中文网 iem固态下加热，保温和冷却，以改变钢的组织结构，从而获得所需性能的一种生产工艺。热处 理之所以能改变钢的性能
8、，其原因在于钢在加热、冷却中其的组织相应发生转变，而钢的组 织发生转变的根本原因还是铁的同素异构转变 -Fe -Fe。对于共析钢而言，加热时铁发 生同素异构转变即： -Fe -Fe，对应的组织转变为：F（碳在 -Fe 中的固溶体）+ Fe3C A（碳在 -Fe 中的固溶体） 、而冷却时铁又会发生：-Fe -Fe，对应的平衡组织转 变为：A（碳在 -Fe 中的固溶体） F（碳在 -Fe 中的固溶体）+ Fe3C 。加热、冷却转变 包含两个过程即结构转变和铁、碳原子的扩散。在非平衡冷却时，结构转变不受影响，而原 子的扩散会由于冷却温度不同受到不同程度的抑制，所以，冷却时除了形成完全扩散的 P（F+
9、 Fe3C）外，当冷却温度较低时，铁、碳原子都不扩散，形成非扩散的马氏体（M）组 织，A（碳在 -Fe 中的固溶体） M（碳在 -Fe 中的过饱和固溶体） ，其含碳量与奥氏体的 相同；以及当冷却温度在 550MS 间，原子扩散受到部分抑制，只有碳原子扩散而铁原子 不扩散，形成的贝氏体（B）组织，A（碳在 -Fe 中的固溶体） （碳在 -Fe 中的过饱和 固溶体） + Fe3C，即贝氏体。热处理工艺之所以能提高钢的性能，就是围绕改变铁碳合金 中的基本相铁素体、渗碳体相的性能、大小、形状、分布来实现的，它通过把钢的基体铁素 体（喻为水泥）转变为马氏体（M）基体，同时改变强化相渗碳体（喻为沙子）的形
10、状、大 小、分布，由网状、片状的改变为球状和细粒状且均匀分布在基体上（相当于打碎大的石块， 把沙子筛细且与水泥均匀混合在一起。 ） 。这样，抓住铁的同素异构转变这个桥梁，就能便于 同学们理解并很好的掌握铁碳合金的基本相、平衡组织、非平衡组织的构成及热处理工艺中 组织转变规律，分清钢的不同组织，理顺它们之间的联系及区别，把工程材料课程的前后内 容贯通，为学习其它内容打下良好的理论基础。 2. 突出重、难点内容，精选生产实例， 提高课堂教学效果 讲课中，主线明确、前后内容打通后，同学们很容易建立本门课程的一些基本概念及理 论基础。在有限的课堂教学中，还须突出重、难点内容，不断归纳，使学生全面掌握课
11、程教 学内容。其中铁碳相图、C 曲线、热处理工艺等内容无疑是本门课程较为重要的也是同学们 在学习中反映较难以掌握的内容。铁碳相图是研究铁碳合金的工具，是讨论铁碳合金成分、 平衡组织、性能间关系的理论基础；C 曲线主要讨论了铁碳合金非平衡冷却时的组织转变规 律，它们都是制订各种热处理工艺的依据；热处理工艺（即 4 把火，退火、正火、淬火、回 火）是前面两重点内容在改善钢的性能方面的具体应用过程。铁碳相图的教学中，在建立相 区分析方法的基础上，牢牢抓住铁碳合金的相结构特点及铁的同素异构体转变这个载体，进 行相区分析；讲清两条水平线上反应（共晶、共析反应）的成分、温度条件，在此基础上， 同学们自然就
12、很容易掌握不同成分的铁碳合金的结晶过程的分析，并得出正确的结论。热处 理工艺属于实践性较强的内容，课堂教学中，由于学时的限制，不可能列举太多的实例，须 精选那些既能说明问题，又能开拓同学们眼界的典型案例。例如，在讲到碳素工具钢热处理 淬火、回火工艺时，笔者选择了某自行车厂用 T10 钢制作 5.260mm 冲头的热处理工艺为 例。先请同学们据所学知识，制订出该冲头的热处理工艺。T10 钢属于碳素工具钢，其 Ac1、Accm 分别为 730、800，冲头是一典型的模具零件，要求高的硬度（58-63HRC） 、 高的耐磨性及足够的韧性。要达到上述性能要求，同学们据碳素工具钢正常淬火工艺 （Ac1+
13、30-50）及随后采取低温回火的热处理工艺原理，制订出具体的工艺即：760盐水 淬火，180回火的工艺规范，最终使用状态的组织为：回火马氏体+ Fe3C 粒+少量的残余 奥氏体。但生产中发现，据此工艺制作的冲头，寿命不足 1000 件，失效的主要形式是折断。 这是为什么呢？经讨论，我给出了实际生产中改进的工艺：8803min 盐浴加热，油淬， 3601h 回火，再重新加热 7703.5min，盐水冷却，2602.5h 回火，最终使用状 态的组织还是：回火马氏体+ Fe3C 粒+少量的残余奥氏体。但采用改进的工艺后，模具寿命 提高到 7000-14000 件。工艺改进的目的是要在保持冲头高硬度、
14、高耐磨性能的前提下，提56 中文网 iem高其韧性，防止折断。断裂物理的研究表明，在高碳钢中，裂纹的萌生常发生于基体马氏体 与碳化物的界面处，钢中粗大的碳化物与基体马氏体之间结合力很差，可以看成是裂纹萌生 并扩展的策源地，所以，在高碳钢中，通过得到细小、均匀的碳化物分布与形态，能实现较 高的强韧化效果。改进工艺，8803min 盐浴加热，能使碳化物尽可能多的溶入到奥氏体 中；3601h 回火，提高回火温度，使马氏体中的碳化物弥散析出，获得细粒状珠光体和 均匀细小的碳化物，为最终淬火作组织准备；7703.5min 加热淬火时，原均匀细小的碳 化物，既可成为结晶核心，又可防止长大，因而淬火后得到
15、细小的马氏体和弥散的碳化物。 前后工艺的主要差异在于，最终组织中碳化物的来源不同，前者来源于球退，而后者来源于 经 8803min、 3601h 回火的工艺中，从马氏体中弥散析出的碳化物，它比前者更细 小、分布更均匀，所以改进工艺后，模具寿命得到提高。此改进工艺，实际上是一种淬火时 细化碳化物的常用工艺，要求同学们课后通过自学掌握其它细化碳化物的工艺。通过该案例 讲解，不仅使同学们掌握了碳素工具钢的常规热处理工艺，同时开阔了他们的眼界，增加了 学习的兴趣，对热处理工艺能提高材料性能的意义有了更进步的理解，特别是对热处理工艺 中通过改变强化相渗碳体（沙子）的形状、分布，由网状、片状的改变为球状和
16、细粒状且均 匀分布在基体上（相当于打碎大的石块，把沙子筛细）来实现钢性能的改善以及细晶强化、 弥散强化有了深刻的体会。 3. 多媒体与板书教学相结合 工程材料教材，现在一般都配有课件。要充分利用课件在课堂教学中的优势，但又不能 一味的照搬课件内容，偏废传统的板书教学方式，须根据教学内容的需要，进行适当的取舍， 做到多媒体与板书教学优势互补。课件中有大量的图形、动画、视频内容，可以节约课堂教 学的宝贵时间，同时，信息量大，生动，可以把生产车间的实际场景搬进教室。例如，在讲 授工程材料绪论课时，利用大量的音像资料，向同学们展示各种材料在天上飞的（如飞机、 航天飞船） 、水中游的（如军舰、潜艇） 、地上跑的（如汽车、火车）等方面的应用以及各种 新型材料的研究及应用（形状记忆合金、超塑性材料、纳米水与汽油的互溶、石墨烯材料等） ，大量的事例通过视频资料全方位、立体的呈现在同学们面前，能
