材料成型及控制工程专业课程实验设计与实践

——以《热处理原理及工艺》课程为例

吴海江，邹利华，王小明，郭文敏，曾娣平

(邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳 422000)

材料成型及控制工程专业课程实验设计与实践

——以《热处理原理及工艺》课程为例

吴海江，邹利华，王小明，郭文敏，曾娣平

(邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳 422000)

课程实验作为实践教学环节的重要组成部分，在培养大学生的主观能动性和创新性方面具有不可或缺的作用。基于金属材料的组织、结构与性质之间的关系为核心内容，设计了本实验。采用金相显微镜技术，探讨了锌浴中添加的Mn含量和热浸镀时间对低碳钢热镀锌合金层厚度的影响。结果显示：当Mn含量达到0.5w t%、热浸镀时间为5m in时，镀层获得最佳的减薄效果。教学实践表明，该设计性课程实验提高了学生发现问题、分析问题及解决问题的能力，有利于培养学生的创新意识和工程实践能力。

材料成型及控制工程专业；课程实验；创新；热镀锌；镀层组织

邵阳学院作为一所省属多科性地方本科院校，一直致力于培养实践能力强、具有创新意识的应用型高级工程技术人才，为地方经济建设和社会发展服务。材料成型及控制工程专业是机械工程与材料工程的交叉学科，具有较强的实践性，实验课程作为实践教学环节的重要组成部分，在培养大学生的主观能动性和创新性方面具有不可或缺的作用。

《热处理原理及工艺》是材料成型及控制工程专业的学科基础课程，是本专业其他多门课程的基础，具有典型的理论联系实际特性。原有实验教学模式主要偏向于演示性和验证性实验，而设计性和综合性实验很少。尤其是随着专业的调整和教学计划的不断压缩，实验教学作为该课程重要的教学环节面临着重大挑战。因此，对热处理原理及工艺课程实验教学模式进行改革，以培养具有创新意识和工程实践能力的应用型高级人才。

1 实验设计思路

原有的实验教学模式，学生只能在教师教学计划安排的某一时间到实验室进行实验，完成实验指导书上明确规定的任务，得到早已估计到的实验结果。这样的实验教学模式虽然对理论教学可以起到一定的补充作用，但却禁锢了学生的思维，抑制了学生主动思考、积极动手做实验的兴趣，不利于培养出工程实践能力强、具有良好创新意识的应用型高级工程技术人才。

从以上角度考虑，在制订热处理原理及工艺课程实验教学内容时，笔者以金属材料的组织、结构与性质之间的关系为核心内容，减少验证性和演示性实验，开设综合性和设计性实验，以提高学生分析问题、解决实际问题的能力，提高学生的独立思考与创新能力。例如，依据讲到的化学热处理知识点，确定了《合金元素和热浸镀工艺对低碳钢热镀锌合金层厚度的影响》的实验项目。实验时指导教师只是提出实验总纲，下达实验任务书，对实验内容不作具体规定。首先学生自由组成4～5人的实验小组，选出小组长，由学生根据所学课程专业知识，通过查阅资料文献，自行设计实验方案，提出所需实验仪器设备，呈送给指导教师审阅、修改和确认；学生准备好实验材料后，自主联系实验室预约做实验，实验室实行开放式管理，学生只要在特定的时间段内完成实验就可以，这样提高了实验的质量，保证了实验的效果；最后，每位学生要对实验数据进行综合分析，撰写详实的实验报告，必要时需进行答辩。实验指导教师在整个实验过程中，要坚持以学生为主体，只要实验安全没问题，对学生的设计方案和实验过程就不要过多去干涉，千万要注意保护好学生的实验热情和兴趣。

2 实验内容与实验方法

热镀锌合金化钢板具有良好的耐蚀性、涂装性及焊接性而被广泛地应用于汽车、建筑和家电等行业。在热镀锌镀层中添加适量的锰是有效提高镀层性能的手段之一，而其性能是由镀层的组织结构特性决定的。基于此，本实验探讨了Mn含量和热浸镀时间对低碳钢热镀锌合金层厚度的影响。

实验采用99.995wt%纯锌锭和化学纯级锰片，以Zn-2.5wt%Mn中间合金的形式熔入纯锌浴中配制成含Mn量0.1～0.7wt%的Zn-Mn合金镀浴。所用低碳钢板化学成分及质量分数为：C 0.17%、Si 0.04%、P 0.010%、S 0.005%、Fe余量。试样加工成40mm×30mm×3mm大小，然后用砂纸打磨平整，再经热碱浴除油→热水冲洗→酸洗除锈→冷水冲洗→助镀剂助镀→烘干。热镀锌及锌锰合金浸镀温度为450℃，浸镀时间为1～10min。应用XJL-02A型金相显微镜观察镀层的显微组织，同时使用带有刻度的目镜，对镀层的各合金相层的厚度进行测量。

3 实验结果与分析

锌浴中添加不同含量的Mn后，热浸镀锌锰合金镀层自钢基体向镀层表面依次都是由极薄Γ相、δ1相、ζ相和自由锌层η相组成。图1所示的是热浸镀锌及锌锰合金镀层中合金相层的总厚度与热浸时间的关系。从图1中可以看出，锌浴加锰能不同程度地降低合金相层的厚度，但降低的幅度较小。当锌浴中含锰量≤0.5wt%时，随着锌浴中锰含量的增加，合金相层厚度逐步减薄。其中短时间内（≤5min），减薄效果较为明显；随着浸镀时间的延长，镀层减薄效果变差。可能的原因是，锰原子在ζ相中是以置换铁原子的形式存在的。ζ相中的锰含量越高，则锰原子占据铁原子的位置越多，从而起到了减缓ζ相向液相生长的作用。与此同时，从钢基扩散出来的铁原子将促进δ1相的形成和生长，使得δ1相层变厚。随着热浸时间的延长，在铁基表面形成富含铁的Γ相层，而Γ相的形成进一步阻碍了铁锌扩散，所以整个镀层的生长速度变得非常缓慢。

图1 热浸锌及锌锰合金镀层中合金相层厚度与热浸时间的关系

4 结语

本实验探讨了锌浴中添加的Mn含量和热浸镀时间对低碳钢热镀锌合金层厚度的影响。随着Mn含量和热浸镀时间的增加，合金相层厚度先减薄后增厚；当锌浴中Mn的添加量达到0.5wt%、热浸镀时间为5min时，镀层获得最佳的减薄效果。通过本课程实验的教学实践过程表明，因为每个实验小组的实验内容不同，即使本小组内部由于要求每个人都要亲自动手，所以从主观和客观上最大程度地杜绝了学生做实验的偷懒现象。学生通过自己查阅中英文文献，独立设计并提出实验方案，分析评价实验数据，独立地操作实验仪器设备等实验环节的锻炼，巩固了所学的专业知识和拓宽了专业视野。最终激发了学生做实验的兴趣和热情，增强了学生的专业归属感，培养了学生的创新思维能力和工程实践能力，提高了学生发现问题、分析问题及解决问题的能力，符合邵阳学院培养实践能力强、具有创新意识的应用型高级工程技术人才的目标。

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Design and Practice of Course Experiment of M aterial Form ing and Control Engineering Speciality——Taking Princip le and Technology of Heat Treatm ent Course as an Exam ple

WU Hai-jiang，ZOU Li-hua，WANG Xiao-m ing，GUO Wen-m in，ZENG Di-ping
（Department of Mechanical and Energy Engineering，Shaoyang University，Shaoyang，Hunan 422000，China）

As an important partof practical teaching，the course experiment played an indispensable role in cultivation of college students'subjective initiative and innovation.This experiment was designed based on the relationship between the structureand propertiesofmetalmaterials.TheeffectsofMn contentin zinc bath and hotdipping timeon the thicknessofhotdip galvanized alloy layer on low carbon steelwere investigated based on opticalmicroscope.The results showed that the optimal effect of reducing thin of coating was obtained when the Mn content reached 0.5wt%and hot dipping time was up to 5min. Teaching practice revealed that this designing course experiment improved the ability of the students to discover problems，analyze problems and solve problems.Thiswould be in favor of the cultivation of the students'innovative consciousness and engineering practice ability.

material forming and controlengineering speciality；course experiment;innovation；hot-dip galvanizing；coating microstructure

G642

A

2095-980X(2016)08-0090-02

2016-07-17

邵阳学院教学改革研究项目（2015JG20）；邵阳学院精品开放课程建设项目（邵院教通［2016］4号）

吴海江（1975-），男，安徽淮南人，博士，副教授，主要从事材料专业的教学与研究工作。