用典型試驗提高材料成形專業(yè)教學(xué)的質(zhì)量

鄧沛然　劉淑梅　吳文云　雍學(xué)超

摘要：一般的工科專業(yè)都會涉及到抽象的專業(yè)理論教學(xué)，如果沒有直觀的課內(nèi)試驗輔助，學(xué)生對這些專業(yè)教學(xué)的理解往往停留在機(jī)械記憶和抽象的邏輯分析上，難以形成真正的專業(yè)能力和知識。在材料成形專業(yè)的教學(xué)中，我們通過細(xì)化晶粒的變質(zhì)凝固試驗，讓學(xué)生在自己動手與觀察的基礎(chǔ)上獲得了第一手的感性認(rèn)識，提高了學(xué)生對液態(tài)成形和塑形性能控制等重要專業(yè)知識的理解與掌握。這些處于眾多重要知識結(jié)合區(qū)的課內(nèi)試驗在提高教學(xué)效果上有著事半功倍的效果。

關(guān)鍵詞：典型試驗；細(xì)化晶粒；理解；材料成形；教學(xué)

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）48-0205-03

目前，大學(xué)一般工科專業(yè)的課程設(shè)置非常多，學(xué)生大量時間用于課堂學(xué)習(xí)。理論學(xué)習(xí)時間過多，對于學(xué)生吸收知識是不利的，而課內(nèi)試驗的開展有利于學(xué)生獲得感性認(rèn)識，從而鞏固所學(xué)的理論知識。由于課程較多，以及實驗條件的限制等原因，充分的試驗安排在目前條件下也是不現(xiàn)實的。課內(nèi)試驗的開展，應(yīng)優(yōu)先選擇那些能夠凝聚重要知識要點的試驗項目，通過較為直觀的實驗將那些對學(xué)生來說比較抽象的理論知識進(jìn)行串聯(lián)，從而做到在有限的課內(nèi)實驗中，涵蓋較廣的知識面，以發(fā)揮較好的教學(xué)效果。

一、材料加工課內(nèi)試驗的選擇

材料的制備機(jī)理與材料的性能是材料加工專業(yè)重要的基礎(chǔ)內(nèi)容。其中的理論分析比較抽象，讓毫無專業(yè)實踐的學(xué)生難以接受。在一般金屬材料的制備中，一般希望獲得細(xì)化的等軸晶、細(xì)晶材料的制備是材料加工領(lǐng)域的重要內(nèi)容。這一加工領(lǐng)域又與材料液態(tài)成形的成分過冷、異質(zhì)形核等重要概念密切聯(lián)系。成分過冷在液態(tài)金屬凝固中對材料的組織形成和溶質(zhì)原子的分布起著重要的作用，但成分過冷理論對組織形成的作用機(jī)制比較抽象，學(xué)生一般無法透徹理解。對于成分過冷是如何影響組織形成的，學(xué)生就更難以知曉其中的機(jī)理。材料的塑性與材料成分、組織和晶粒的尺寸密切相關(guān)，晶粒越細(xì)小，材料的塑形一般越好；在材料的性能測試中，涉及到的性能指標(biāo)有延伸率、斷面收縮率、沖擊韌性，相聯(lián)系的知識點有應(yīng)力、應(yīng)變曲線和真實應(yīng)力、應(yīng)變曲線等內(nèi)容。組織的細(xì)化，則成為一個將液態(tài)成形和塑形成形兩個板塊的內(nèi)容聯(lián)系在一起的紐帶。在凝固過程中，對材料進(jìn)行變質(zhì)處理，提高材料在凝固過程的形核率，從而實現(xiàn)材料組織的細(xì)化。變質(zhì)處理，已經(jīng)成為目前液態(tài)成形和冶金鑄造行業(yè)最通用的材料加工手段。將材料的液態(tài)成形過程中的變質(zhì)處理引入到學(xué)生的課內(nèi)試驗，具有知識涵蓋面廣、重點突出的特點。變質(zhì)處理的試樣進(jìn)行材料組織與力學(xué)性能的比較，可以直觀而全面地將上述內(nèi)容展示給學(xué)生，這樣的課內(nèi)試驗具有很好的綜合性。

二、試驗的進(jìn)行

試驗選擇Cr12鋼的晶粒變質(zhì)細(xì)化為實驗對象，Cr12冷作模具鋼屬于高碳高鉻類萊氏體鋼，這類鋼因含有較高的C和大量的Cr，在鑄造過程，在晶界上易出現(xiàn)粗大網(wǎng)狀共晶碳化物以及魚骨狀碳化物，使鋼的強(qiáng)度和韌性明顯降低，嚴(yán)重縮短了模具使用壽命。在鑄造過程中，加入鉀鈉活性變質(zhì)劑，由于鉀、鈉的活性很高，使得在凝固過程中，更易于形成新的形核襯底，起到凈化鋼液、細(xì)化晶粒、強(qiáng)化基體、改變夾雜物形態(tài)的作用，從而達(dá)到提高強(qiáng)韌性和耐磨性、改善鋼的綜合力學(xué)性能的目的。在課內(nèi)實驗之前，教師首先要求學(xué)生溫習(xí)材料成分和組織對Cr12鋼性能的影響的知識點。試驗在真空中頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)進(jìn)行，由學(xué)生自己操作。在感應(yīng)爐中，分5組熔煉低碳A3鋼和按標(biāo)稱化學(xué)成分加入的鉻鐵等，先將設(shè)備抽真空到0.1Pa，然后向真空爐內(nèi)充入惰性氣體氬氣至0.06MPa，熔煉時先預(yù)熱，然后逐步提高功率，在材料完全熔化后，降低功率保溫，控制好熔體的溫度，既要保證液態(tài)熔體的流動性，同時熔體溫度超過熔點的過熱度又不能過大。在熔煉過程即將澆鑄時，控制好爐溫，分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%的鉀鈉變質(zhì)劑，再澆入直徑為20mm、高度為200mm的型腔內(nèi)，得5組試樣。在實驗過程，教師注意向?qū)W生指出，真空熔煉時向爐內(nèi)灌入氬氣的必要性：防止液相揮發(fā)；加熱時逐步升溫的必要性：防止升溫時坩堝爐襯的溫差應(yīng)力過大，提高坩堝的使用壽命；控制熔體溫度的必要性：降低對異質(zhì)的熔化，提高形核率。教師將學(xué)生分為5組，分別對每組試樣進(jìn)行退火處理，降低硬度和內(nèi)應(yīng)力；再進(jìn)行機(jī)械加工，分別加工出拉伸試樣、沖擊試樣和磨損試樣。教師對每一組的試樣分別進(jìn)行觀察金相組織、拉伸試驗、沖擊試驗和磨損試驗。

三、實驗結(jié)果與理論預(yù)期

由學(xué)生取樣，對試樣進(jìn)行研磨、拋光，再拍攝金相顯微照片。不同組的鑄態(tài)金相圖顯示，未加變質(zhì)劑的試樣，晶粒相對粗大，且在試樣邊緣較先凝固區(qū)域柱晶組織較明顯；加入了鉀鈉活性變質(zhì)劑之后，試樣的晶粒明顯變細(xì)，而且隨著鉀鈉變質(zhì)劑含量的增加，晶粒隨之變小，但當(dāng)鉀鈉變質(zhì)劑含量為0.08%時，出現(xiàn)更為明顯的共晶碳化物，沿著晶界分布。通過對比，表明加入的鉀鈉變質(zhì)劑的含量在0.06%左右時能起到良好的細(xì)化晶粒作用，含量過高則會在境界上重新生成碳化物，并連成網(wǎng)狀，造成組織上的缺陷。對試樣進(jìn)行拉伸試驗。我們可以發(fā)現(xiàn)，鉀鈉變質(zhì)劑含量由0.02%增加到0.04%，材料的抗拉強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，鉀鈉變質(zhì)劑含量由0.04%增加到0.06%時，抗拉強(qiáng)度稍微增強(qiáng)，但不明顯。鉀鈉變質(zhì)劑含量由0.06%增加到0.08%時，鑄造后，殘余應(yīng)力大，使試樣表面出現(xiàn)裂紋，抗拉強(qiáng)度反而急劇的下降。試驗結(jié)果表明，鉀鈉變質(zhì)劑能一定程度提高材料的抗拉強(qiáng)度，其含量在0.04%～0.06%時最為合適，能明顯地增強(qiáng)Cr12的抗拉強(qiáng)度。對試樣進(jìn)行磨損試驗。未加鉀鈉變質(zhì)劑的試樣在磨損時損失的質(zhì)量較大，加入鉀鈉變質(zhì)劑后，試樣損失的質(zhì)量明顯減少。試驗結(jié)果表明，加入鉀鈉變質(zhì)劑能增強(qiáng)Cr12鋼的耐磨性。但隨含量的改變，耐磨性改變不是很明顯。實驗結(jié)果表明，在Cr12鋼的鑄造過程中加入0.04%～0.06的鉀鈉變質(zhì)劑，能有效地改善Cr12鋼的鑄造工藝。鑄造過程中，未加鉀鈉變質(zhì)劑的Cr12鋼組織粗大，晶界上存在碳化物，力學(xué)性能受到一定的影響。加入一定的鉀鈉變質(zhì)劑，隨著鉀鈉變質(zhì)劑含量的增加，晶界上的碳化物明顯減少，晶粒變小，試樣的抗拉強(qiáng)度、硬度、耐磨損性能都有所增強(qiáng)。所加入鉀鈉變質(zhì)劑含量在0.04%～0.06%時，效果特別明顯。當(dāng)加入的鉀鈉變質(zhì)劑含量增加至0。08%時，晶界上重新出現(xiàn)了大量的碳化物，并且鑄造后所存在的組織應(yīng)力大，試樣表面出現(xiàn)裂紋，造成試樣的抗拉強(qiáng)度急劇下降。凝固前對材料的變質(zhì)處理的實驗結(jié)果非常清晰明確地反映了異質(zhì)形核的基本機(jī)理，將不可見的物質(zhì)凝固相變過程較為直觀地展示給學(xué)生。這是一個凝聚了眾多重要專業(yè)知識和基本原理的課內(nèi)實驗，且實驗的形式簡單、重復(fù)性好、結(jié)果直觀，易于被學(xué)生理解。endprint

四、實驗驗證與問題解答

針對實驗的金相圖片和性能檢測結(jié)果。我們設(shè)置如下問題：①為何晶粒細(xì)化能導(dǎo)致材料硬度和強(qiáng)度提高？②磨損性能的提高與材料的哪些特性有關(guān)？③在材料特性的工藝中，變質(zhì)劑起到何種作用？是否加入越多越好？請根據(jù)實驗結(jié)果說明原因。④為何未加變質(zhì)劑的試樣中柱晶組織相對較發(fā)達(dá)，而在試樣中部最后凝固區(qū)域等軸晶才是主要組織？⑤在材料的強(qiáng)度測量時，名義應(yīng)力應(yīng)變曲線與真實應(yīng)力應(yīng)變曲線有何區(qū)別？材料的塑性指標(biāo)還有哪些？這些問題的解答都較為抽象。但學(xué)生通過對金相圖片與測試數(shù)據(jù)的直觀觀察，對抽象的理論解釋就非常容易接受。如通過對粗晶和細(xì)晶的金相圖觀察，細(xì)晶圖中晶界顯得更為明顯，這顯示了常溫時由于晶粒細(xì)化導(dǎo)致的晶界強(qiáng)化機(jī)制使材料硬度和強(qiáng)度都得到提高；而圖片上顯示由于晶粒細(xì)化，共晶碳化物也相應(yīng)有所變細(xì)，晶粒細(xì)化使基體得到強(qiáng)化，而共晶碳化物的細(xì)化使其在與外界磨削的過程中不易剝落，因而材料的磨損性能得到提高。變質(zhì)劑的根本作用是起著異質(zhì)形核作用，但如果異質(zhì)過多，未參與異質(zhì)形核的變質(zhì)劑，由于其熔點較低，在最后凝固的過程中往往析出在晶界，并以共晶碳化物的形態(tài)出現(xiàn)，使共晶碳化物的體積增大，因而過多的變質(zhì)劑是不利于材料性能的。未加變質(zhì)劑的試樣在其中部等軸晶也較發(fā)達(dá)，這是由于成分過冷的原因，但由于液相中缺乏有效的形核襯底，柱狀晶易沿?zé)崃鞣较蛏L，在有各向同性力學(xué)性能要求的材料制備中，這種柱晶是不利于材料性能的。在課程教學(xué)中，學(xué)生對名義應(yīng)力應(yīng)變曲線與真實應(yīng)力應(yīng)變曲線的區(qū)別只能通過機(jī)械地記憶書面解釋；在試驗中通過觀察試樣被拉伸斷裂及試樣局部區(qū)域橫截面積的縮小，這兩個概念的區(qū)別一目了然。真實應(yīng)力應(yīng)變曲線是拉伸時不斷變細(xì)的單位橫截面的實際受力狀況，而名義應(yīng)力應(yīng)變曲線是基于截面不變的試樣。通過力學(xué)性能的比較，學(xué)生對屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性和硬度等概念的理解將由機(jī)械記憶轉(zhuǎn)為理解記憶，如觀察Cr12鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線時，當(dāng)應(yīng)力曲線升至一個峰值再陡然下降對應(yīng)的應(yīng)力峰值就是抗拉強(qiáng)度，在這曲線陡變的瞬間，可以看到拉伸試驗機(jī)上的試樣在一聲清脆的響聲中斷裂，由此學(xué)生自然能理解抗拉強(qiáng)度是材料不被破壞所能承受的最大應(yīng)力值，所對應(yīng)的外部載荷就是其極限承載力。這種基于理解的記憶將伴隨學(xué)生的一生，而不會考完就忘。直觀實驗的比較，使學(xué)生對專業(yè)材料的相關(guān)理論認(rèn)識擺脫機(jī)械記憶的方式，從而提升其學(xué)習(xí)效果。對于部分有鉆研精神的學(xué)生，這一實驗使其對部分專業(yè)的理解能達(dá)到較高的專業(yè)水準(zhǔn)。

五、基于實驗的課堂理論再提高

細(xì)化晶粒在材料成形課程中，被直接描述的內(nèi)容并不多，但這方面的內(nèi)容與方向卻是一個持續(xù)性不斷發(fā)展的材料加工專業(yè)核心領(lǐng)域。材料加工液態(tài)成形基本原理的許多內(nèi)容都是與此相關(guān)：界面張力與潤濕，均質(zhì)形核與異質(zhì)形核及其相關(guān)的熱力學(xué)與動力學(xué)，異質(zhì)形核率的影響因素，成分過冷及其對晶體生長形態(tài)的影響，鑄件的宏觀組織分布與等軸晶的形成等。但是，這些內(nèi)容在教科書上基本都是陳列在與液態(tài)成形的相關(guān)章節(jié)里，即便是優(yōu)秀的學(xué)生對這些基本理論的理解都是停留在孤立的邏輯分析中，對在實踐中這些基本理論與細(xì)化晶粒的直接關(guān)系則茫然無知。這種認(rèn)識上的缺失必然導(dǎo)致對理論的片面學(xué)習(xí)，機(jī)械記憶則成為維持片面學(xué)習(xí)的基本手段，而機(jī)械記憶在學(xué)習(xí)和工作的過程中最難以持久。我們在教學(xué)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)這樣的情況。比如，研究生面試，在筆試中有學(xué)生完整地答出了某概念（一般考前圈定了復(fù)習(xí)范圍），過幾天面試，問該同學(xué)同樣問題，有時竟回答不出，而一般考研能過關(guān)的學(xué)生在大學(xué)中多屬優(yōu)秀學(xué)生?？考兲铠喪竭M(jìn)行的專業(yè)教學(xué)，既枯燥又難以提高教學(xué)中專業(yè)理論的授課深度。在進(jìn)行課內(nèi)實驗過程中，學(xué)生們親自按比例稱量變質(zhì)劑，熔煉時觀察到白亮的鋼水翻滾（這種場景是具有顯著的刺激性而給學(xué)生帶來持久的記憶），凝固后親自打磨試樣并觀察到不同變質(zhì)劑含量的試樣在組織分布與晶粒尺寸上的差異，然后拉伸實驗機(jī)旁聽到自己澆注出來的試樣發(fā)出刺耳清脆的斷裂聲音等。有了這種直觀的試驗認(rèn)識和感知，在課堂上進(jìn)一步的理論深入才有較好的效果。

如變質(zhì)劑能使凝固過程中的金屬材料細(xì)化，但是否任何異質(zhì)加入都會使材料的晶粒明顯細(xì)化呢？這點從表面張力與潤濕的關(guān)系可以很好地得到解釋。只有熔體液相與異質(zhì)固相的界面張力相對小的形核劑才可能在加入液相后與液相較好的結(jié)合，起到作為異質(zhì)襯底的作用，從而提高形核率細(xì)化晶粒。成分過冷與變質(zhì)劑又有何關(guān)系呢？由于成分過冷，導(dǎo)致凝固時液固界面的溶質(zhì)富集，使液固界面向液相內(nèi)部延伸的枝晶根部的熔點降低，在液相對流的作用下會導(dǎo)致枝晶的脫落、再熔斷和熔體內(nèi)部晶粒增值，這些增值的晶粒將成為新的形核晶粒，從而增加凝固過程的形核率使晶粒細(xì)化。變質(zhì)劑的作用無非是通過兩個渠道實現(xiàn)形核率的提高：①自身或通過化合形成與液相有良好潤濕關(guān)系的異質(zhì)襯底；②提高材料液固界面的成分過冷以提高材料形核率。由此，教師在教學(xué)中要進(jìn)一步闡明，成分過冷不僅影響形核率，而且還將影響晶體的生長形態(tài)從而影響材料性能等知識。這些理論的提高在大學(xué)金屬材料加工專業(yè)的教學(xué)中是必須的，但只有學(xué)生對細(xì)晶的形成有著感性認(rèn)識，通過感性與理論理解的結(jié)合才能實現(xiàn)這一提高。

六、結(jié)論

基礎(chǔ)專業(yè)理論課程，應(yīng)輔以典型的課內(nèi)試驗支持來提升其教學(xué)效果。在金屬材料成形專業(yè)中，用變質(zhì)處理的方法細(xì)化晶粒的試驗易于進(jìn)行且具有很好的直觀性，這一試驗涵蓋了廣泛的專業(yè)基礎(chǔ)理論內(nèi)容，且將實際應(yīng)用和重要的抽象的專業(yè)理論緊密地聯(lián)系起來。這樣的試驗可有效地提高學(xué)生對材料成形相關(guān)內(nèi)容的理解，從而為相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)理論的教學(xué)深入打下良好基礎(chǔ)。endprint