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(huì)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(yàn)輔助，學(xué)生對(duì)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(shí)。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(yàn)，讓學(xué)生在自己動(dòng)手與觀察的基礎(chǔ)上獲得了第一手的感性認(rèn)識(shí)，提高了學(xué)生對(duì)液態(tài)成形和塑形性能控制等重要專業(yè)知識(shí)的理解與掌握。這些處于眾多重要知識(shí)結(jié)合區(qū)的課內(nèi)試驗(yàn)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(yàn)；細(xì)化晶粒；理解；材料成形；教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(shí)間用于課堂學(xué)習(xí)。理論學(xué)習(xí)時(shí)間過多，對(duì)于學(xué)生吸收知識(shí)是不利的，而課內(nèi)試驗(yàn)的開展有利于學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)，從而鞏固所學(xué)的理論知識(shí)。由于課程較多，以及實(shí)驗(yàn)條件的限制等原因，充分的試驗(yàn)安排在目前條件下也是不現(xiàn)實(shí)的。課內(nèi)試驗(yàn)的開展，應(yīng)優(yōu)先選擇那些能夠凝聚重要知識(shí)要點(diǎn)的試驗(yàn)項(xiàng)目，通過較為直觀的實(shí)驗(yàn)將那些對(duì)學(xué)生來說比較抽象的理論知識(shí)進(jìn)行串聯(lián)，從而做到在有限的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，涵蓋較廣的知識(shí)面，以發(fā)揮較好的教學(xué)效果。

一、材料加工課內(nèi)試驗(yàn)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)點(diǎn)有應(yīng)力、應(yīng)變曲線和真實(shí)應(yīng)力、應(yīng)變曲線等內(nèi)容。組織的細(xì)化，則成為一個(gè)將液態(tài)成形和塑形成形兩個(gè)板塊的內(nèi)容聯(lián)系在一起的紐帶。在凝固過程中，對(duì)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(shí)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(yàn)，具有知識(shí)涵蓋面廣、重點(diǎn)突出的特點(diǎn)。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(yàn)具有很好的綜合性。

二、試驗(yàn)的進(jìn)行

試驗(yàn)選擇Cr12鋼的晶粒變質(zhì)細(xì)化為實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)之前，教師首先要求學(xué)生溫習(xí)材料成分和組織對(duì)Cr12鋼性能的影響的知識(shí)點(diǎn)。試驗(yàn)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(shí)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(dòng)性，同時(shí)熔體溫度超過熔點(diǎn)的過熱度又不能過大。在熔煉過程即將澆鑄時(shí)，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(shí)驗(yàn)過程，教師注意向?qū)W生指出，真空熔煉時(shí)向爐內(nèi)灌入氬氣的必要性：防止液相揮發(fā)；加熱時(shí)逐步升溫的必要性：防止升溫時(shí)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(duì)異質(zhì)的熔化，提高形核率。教師將學(xué)生分為5組，分別對(duì)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(duì)每一組的試樣分別進(jìn)行觀察金相組織、拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和磨損試驗(yàn)。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期

由學(xué)生取樣，對(duì)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(duì)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(shí)，出現(xiàn)更為明顯的共晶碳化物，沿著晶界分布。通過對(duì)比，表明加入的鉀鈉變質(zhì)劑的含量在0.06%左右時(shí)能起到良好的細(xì)化晶粒作用，含量過高則會(huì)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(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。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(shí)，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(shí)，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(yàn)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(shí)最為合適，能明顯地增強(qiáng)Cr12的抗拉強(qiáng)度。對(duì)試樣進(jìn)行磨損試驗(yàn)。未加鉀鈉變質(zhì)劑的試樣在磨損時(shí)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(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)，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(duì)材料的變質(zhì)處理的實(shí)驗(yàn)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(gè)凝聚了眾多重要專業(yè)知識(shí)和基本原理的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與問題解答

針對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)，名義應(yīng)力應(yīng)變曲線與真實(shí)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(duì)金相圖片與測試數(shù)據(jù)的直觀觀察，對(duì)抽象的理論解釋就非常容易接受。如通過對(duì)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(shí)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(diǎn)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(duì)名義應(yīng)力應(yīng)變曲線與真實(shí)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(yàn)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(gè)概念的區(qū)別一目了然。真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線是拉伸時(shí)不斷變細(xì)的單位橫截面的實(shí)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(duì)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(shí)，當(dāng)應(yīng)力曲線升至一個(gè)峰值再陡然下降對(duì)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(yàn)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(duì)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(huì)考完就忘。直觀實(shí)驗(yàn)的比較，使學(xué)生對(duì)專業(yè)材料的相關(guān)理論認(rèn)識(shí)擺脫機(jī)械記憶的方式，從而提升其學(xué)習(xí)效果。對(duì)于部分有鉆研精神的學(xué)生，這一實(shí)驗(yàn)使其對(duì)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(dòng)力學(xué)，異質(zhì)形核率的影響因素，成分過冷及其對(duì)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(duì)這些基本理論的理解都是停留在孤立的邏輯分析中，對(duì)在實(shí)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(shí)上的缺失必然導(dǎo)致對(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生們親自按比例稱量變質(zhì)劑，熔煉時(shí)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(shí)驗(yàn)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(yàn)認(rèn)識(shí)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(huì)使材料的晶粒明顯細(xì)化呢？這點(diǎn)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(duì)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(shí)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(diǎn)降低，在液相對(duì)流的作用下會(huì)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(gè)渠道實(shí)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(shí)。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(duì)細(xì)晶的形成有著感性認(rèn)識(shí)，通過感性與理論理解的結(jié)合才能實(shí)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(yàn)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(yàn)易于進(jìn)行且具有很好的直觀性，這一試驗(yàn)涵蓋了廣泛的專業(yè)基礎(chǔ)理論內(nèi)容，且將實(shí)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(yàn)可有效地提高學(xué)生對(duì)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