金属材料与热处理课程案例教学

黄志兵

摘 要：高职院校金属材料与热处理课程是一门专业性强、抽象难学的课程。为了突破教学难点，使抽象和难懂的知识变得形象生动，本文提出采用案例教学法，激发学生的学习兴趣，活跃课堂气氛，提高课堂教学效果。

关键词：金属材料与热处理 案例教学法 冶金专业

金属材料与热处理课程是高职院校冶金专业中一门专业性强、抽象难学的课程。笔者在多年的教学过程中，采用案例教学法，使抽象难懂的概念形象化和具体化，取得了比较好的教学效果。下面，笔者就金属材料与热处理课程教学过程中，如何进行案例教学进行具体说明。

一、缺口效应

金属材料存在缺口的情况下，金属材料的力学性与没有缺口情况时是不一样的。金属缺口存在时，缺口处的受力状态会发生改变，使得金属材料变得脆弱，危及机械机电设备的正常运转。为了将金属材料缺口效应讲明白，笔者在课堂教学时，准备了两张完全相同的塑料包装纸，其中一张塑料包装纸保持原样，用剪刀在另一张塑料包装纸剪一个小缺口。然后，笔者叫了一名学生上讲台以同样的路线撕裂塑料包装纸，在撕裂过程中，存在小缺口的塑料包装纸很容易撕裂，而另一种没有缺口的塑料包装纸则更难撕破，显示出有缺口的塑料包装纸力学性能发生了很大改变。在外力的作用下，外力集中于缺口位置，超过材料屈服强度而使塑性变化并开裂，这就是缺口效应。笔者通过这个形象的案例，很好地说明了金属材料缺口效应。

二、疲劳现象

机械设备中结构零件有时破裂，会造成重大经济损失，甚至危害工作人员生命安全。许多造成破裂的机械零件是在循环变动载荷下运行的，例如齿轮和曲轴等。在运行过程中，这些机械构件在工作应力低于金属材料屈服强度时就出现破裂现象，这种现象就是疲劳现象。据统计，工作过程中发生破裂情况至少有八成是由于疲劳破裂引起的，而且疲劳破裂在发生前没有明显征兆，具有很大危害。学生很难理解金属材料的疲劳破裂问题。为此，笔者在课堂教学时准备了几根铁丝，让几个学生对铁丝反复弯折，在很短的时间铁丝就被折断，这是由于疲劳现象产生的断裂。机械结构零件材料表面存在缺陷问题时，例如划痕和裂纹等，这些地方应力出现了大于原先屈服点的情况。在循环变动载荷情况下，随着循环次数的增加，产生疲劳裂纹，裂纹持续扩大，达到一个临界点后突然断裂。

三、金属同素异构现象

固态金属在一定的温度区间存在一定的晶格情况。比如钛在882度以下时以六方晶格的形式存在，而在882度至熔点期间，钛以体心立方晶格存在。铁在912度以下是以体心立方晶格形态存在，912度至1394度期间以面心立方晶格形态存在，在1394度至熔点期间又以体心立方晶格形态存在。固态金属在不同温度情况下，会从一种晶格形态改变成另一种晶格存在形态现象，这种现象就是金属同素异构。为了让学生理解该知识点，笔者在课堂上向学生提出一个问题：固态金属存在热胀冷缩情况吗？学生一时不能做出最终正确判断。笔者先与学生进行了实验，课堂上准备了一条长为1.2米、直径1毫米的铁丝，将铁丝的两端固定在支架上，通电流后使铁丝慢慢加热。随着电流的增强，我们可以观察到铁丝由于受热出现膨胀，并逐渐下沉，而加热到使铁丝呈现出橙色时，我们反而能够观察到铁丝收缩的情况。相反，铁丝从高达1000℃条件下逐渐降温，降低到一定温度后铁丝反而伸长。总之，铁丝在加热时出现收缩，而在降温时出现伸长。这种情况的发生，显示出固态金属并不是完全“热胀冷缩”，而是由于金属同素异构现象的存在，金属材料在不同温度下内部晶格发生了改变。

四、偏析现象

金属材料中化学成分分布不均匀的情况称为偏析现象。金属铸锭结晶过程中，不同部位结晶速度是不一样的，一般在合金中低熔点的元素集中于最终结晶区，从而造成最终金属铸锭存在化学成分分布不均匀问题。学生对偏析现象不太理解。为此，笔者在课前要求学生利用课外时间自己制作一支冰激凌，制作过程是把牛奶放在冰箱里冻结成块状即可，制作完成后自己亲自品尝味道。在课堂上，笔者要求学生描述一下牛奶冰激凌的味道，大多学生都认为刚开始品尝牛奶冰激凌时感觉很甜，到后面慢慢淡而无味，最后就是冰屑了。为什么要形成这种情况，这是因为水结晶的温度是零度，牛奶中的水以三种性质而存在，一种是游离水的形式存在，它不与其他物质结合，具有溶剂的功能，含量最多；第二种是溶解于蛋白质、乳糖等物质的水；第三种是结晶水。牛奶在冷冻过程中，最先结成冰块的是游离水，牛奶逐渐冻结，随着冷冻的时间的加长，由于游离水全部冻结成冰块，导致不结冰的蛋白质和乳糖等聚集于冰激凌的表面，从而使得冷冻的冰激凌存在口味变化的情况。通过这个课外实验，学生很容易明白偏析现象的发生原理。

（作者单位：江西冶金职业技术学院）