金屬材料與熱處理課程案例教學(xué)

黃志兵

摘 要：高職院校金屬材料與熱處理課程是一門(mén)專業(yè)性強(qiáng)、抽象難學(xué)的課程。為了突破教學(xué)難點(diǎn)，使抽象和難懂的知識(shí)變得形象生動(dòng)，本文提出采用案例教學(xué)法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍課堂氣氛，提高課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：金屬材料與熱處理 案例教學(xué)法 冶金專業(yè)

金屬材料與熱處理課程是高職院校冶金專業(yè)中一門(mén)專業(yè)性強(qiáng)、抽象難學(xué)的課程。筆者在多年的教學(xué)過(guò)程中，采用案例教學(xué)法，使抽象難懂的概念形象化和具體化，取得了比較好的教學(xué)效果。下面，筆者就金屬材料與熱處理課程教學(xué)過(guò)程中，如何進(jìn)行案例教學(xué)進(jìn)行具體說(shuō)明。

一、缺口效應(yīng)

金屬材料存在缺口的情況下，金屬材料的力學(xué)性與沒(méi)有缺口情況時(shí)是不一樣的。金屬缺口存在時(shí)，缺口處的受力狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，使得金屬材料變得脆弱，危及機(jī)械機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了將金屬材料缺口效應(yīng)講明白，筆者在課堂教學(xué)時(shí)，準(zhǔn)備了兩張完全相同的塑料包裝紙，其中一張塑料包裝紙保持原樣，用剪刀在另一張塑料包裝紙剪一個(gè)小缺口。然后，筆者叫了一名學(xué)生上講臺(tái)以同樣的路線撕裂塑料包裝紙，在撕裂過(guò)程中，存在小缺口的塑料包裝紙很容易撕裂，而另一種沒(méi)有缺口的塑料包裝紙則更難撕破，顯示出有缺口的塑料包裝紙力學(xué)性能發(fā)生了很大改變。在外力的作用下，外力集中于缺口位置，超過(guò)材料屈服強(qiáng)度而使塑性變化并開(kāi)裂，這就是缺口效應(yīng)。筆者通過(guò)這個(gè)形象的案例，很好地說(shuō)明了金屬材料缺口效應(yīng)。

二、疲勞現(xiàn)象

機(jī)械設(shè)備中結(jié)構(gòu)零件有時(shí)破裂，會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至危害工作人員生命安全。許多造成破裂的機(jī)械零件是在循環(huán)變動(dòng)載荷下運(yùn)行的，例如齒輪和曲軸等。在運(yùn)行過(guò)程中，這些機(jī)械構(gòu)件在工作應(yīng)力低于金屬材料屈服強(qiáng)度時(shí)就出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就是疲勞現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工作過(guò)程中發(fā)生破裂情況至少有八成是由于疲勞破裂引起的，而且疲勞破裂在發(fā)生前沒(méi)有明顯征兆，具有很大危害。學(xué)生很難理解金屬材料的疲勞破裂問(wèn)題。為此，筆者在課堂教學(xué)時(shí)準(zhǔn)備了幾根鐵絲，讓幾個(gè)學(xué)生對(duì)鐵絲反復(fù)彎折，在很短的時(shí)間鐵絲就被折斷，這是由于疲勞現(xiàn)象產(chǎn)生的斷裂。機(jī)械結(jié)構(gòu)零件材料表面存在缺陷問(wèn)題時(shí)，例如劃痕和裂紋等，這些地方應(yīng)力出現(xiàn)了大于原先屈服點(diǎn)的情況。在循環(huán)變動(dòng)載荷情況下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋持續(xù)擴(kuò)大，達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)后突然斷裂。

三、金屬同素異構(gòu)現(xiàn)象

固態(tài)金屬在一定的溫度區(qū)間存在一定的晶格情況。比如鈦在882度以下時(shí)以六方晶格的形式存在，而在882度至熔點(diǎn)期間，鈦以體心立方晶格存在。鐵在912度以下是以體心立方晶格形態(tài)存在，912度至1394度期間以面心立方晶格形態(tài)存在，在1394度至熔點(diǎn)期間又以體心立方晶格形態(tài)存在。固態(tài)金屬在不同溫度情況下，會(huì)從一種晶格形態(tài)改變成另一種晶格存在形態(tài)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就是金屬同素異構(gòu)。為了讓學(xué)生理解該知識(shí)點(diǎn)，筆者在課堂上向?qū)W生提出一個(gè)問(wèn)題：固態(tài)金屬存在熱脹冷縮情況嗎？學(xué)生一時(shí)不能做出最終正確判斷。筆者先與學(xué)生進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，課堂上準(zhǔn)備了一條長(zhǎng)為1.2米、直徑1毫米的鐵絲，將鐵絲的兩端固定在支架上，通電流后使鐵絲慢慢加熱。隨著電流的增強(qiáng)，我們可以觀察到鐵絲由于受熱出現(xiàn)膨脹，并逐漸下沉，而加熱到使鐵絲呈現(xiàn)出橙色時(shí)，我們反而能夠觀察到鐵絲收縮的情況。相反，鐵絲從高達(dá)1000℃條件下逐漸降溫，降低到一定溫度后鐵絲反而伸長(zhǎng)?？傊?，鐵絲在加熱時(shí)出現(xiàn)收縮，而在降溫時(shí)出現(xiàn)伸長(zhǎng)。這種情況的發(fā)生，顯示出固態(tài)金屬并不是完全“熱脹冷縮”，而是由于金屬同素異構(gòu)現(xiàn)象的存在，金屬材料在不同溫度下內(nèi)部晶格發(fā)生了改變。

四、偏析現(xiàn)象

金屬材料中化學(xué)成分分布不均勻的情況稱為偏析現(xiàn)象。金屬鑄錠結(jié)晶過(guò)程中，不同部位結(jié)晶速度是不一樣的，一般在合金中低熔點(diǎn)的元素集中于最終結(jié)晶區(qū)，從而造成最終金屬鑄錠存在化學(xué)成分分布不均勻問(wèn)題。學(xué)生對(duì)偏析現(xiàn)象不太理解。為此，筆者在課前要求學(xué)生利用課外時(shí)間自己制作一支冰激凌，制作過(guò)程是把牛奶放在冰箱里凍結(jié)成塊狀即可，制作完成后自己親自品嘗味道。在課堂上，筆者要求學(xué)生描述一下牛奶冰激凌的味道，大多學(xué)生都認(rèn)為剛開(kāi)始品嘗牛奶冰激凌時(shí)感覺(jué)很甜，到后面慢慢淡而無(wú)味，最后就是冰屑了。為什么要形成這種情況，這是因?yàn)樗Y(jié)晶的溫度是零度，牛奶中的水以三種性質(zhì)而存在，一種是游離水的形式存在，它不與其他物質(zhì)結(jié)合，具有溶劑的功能，含量最多；第二種是溶解于蛋白質(zhì)、乳糖等物質(zhì)的水；第三種是結(jié)晶水。牛奶在冷凍過(guò)程中，最先結(jié)成冰塊的是游離水，牛奶逐漸凍結(jié)，隨著冷凍的時(shí)間的加長(zhǎng)，由于游離水全部?jī)鼋Y(jié)成冰塊，導(dǎo)致不結(jié)冰的蛋白質(zhì)和乳糖等聚集于冰激凌的表面，從而使得冷凍的冰激凌存在口味變化的情況。通過(guò)這個(gè)課外實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很容易明白偏析現(xiàn)象的發(fā)生原理。

（作者單位：江西冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院）