金属材料工程专业综合实验教学改革与创新

吕晓霞 王渊博 于漫

[摘 要] 金属材料工程专业本科生的综合实验内容和方法对于培养学生金属材料科学与工程方面的基础理论和专业知识及实践技能至关重要。自选实验课题能有效调动学生参加实验课的积极性和主动性，更好地满足学生求知欲。机械零件失效分析纳入金属材料工程专业本科生综合实验选题内容，能够加深学生对专业理论知识的理解，提高学生理论联系实际，分析和解决实际问题的能力。

[关键词] 材料与工程;综合实验;失效分析;教学改革

[作者简介] 吕晓霞（1963—），女，吉林长春人，学士，吉林大学材料科学与工程学院高级工程师，主要从事实验教学与研究。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）38-0172-02    [收稿日期] 2020-03-11

引言

材料科学与工程人才培养要适合社会的发展需求，不仅具备掌握金属材料科学与工程专业知识及基本技能。同时还应该具备高综合素质[1]。实验教学改革与探索综合素质对学生素质培养提出了新的高度，实战派素质、创新能力强，我校是培养机械材料汽车专业高素质人才的重要基地。金属材料工程专业的综合实验教学的目的是培养学生实操能力，使学生掌握创造技法[2]。学生在综合性实验中用所学的专业理论知识去分析解决实际问题，提高学生的综合实验技能，知道学有所用[3]。同时，通过综合实验学生熟练掌握专业实验仪器设备和使用方法。以往综合实验教学初衷不尽齐美，但由于教学内容和形式存在一些问题，教学效果不尽理想。为此，吉林大学金属材料科学与工程系对综合实验进行了教学改革，运行效果比较好，达到了实验教学改革的初衷。

一、以往综合实验存在的问题及原因

实验内容有些重复，学生无新鲜感。教学形式陈旧，缺少“教”和“学”的互动。假题假作，理论脱离实际，学生无兴趣。这些问题影响学生参与实验主动性和积极性，被动应付，影响了实验的教学效果。教学是“教”和“学”两个过程的统一。如果仅有教者积极性，没有学者接受教者学习的积极性，结果只能是有想法无结果。调动学生参与综合性实验的积极性，才能改变教学效果不佳问题。

二、综合实验内容和形式改革

1.实验内容改革。综合实验选择与实际生产相关联问题，作为实验项目，可以调动学生积极性，而零件失效原因分析恰恰可满足学生欲求。失效，是指一个机械零件经过使用，后发生破坏失去了效能，失效分析就是找出零件发生破坏的原因。致使零件失效原因是结构问题、材料选择、机加、零部件在装配过程调整等诸多因素[4]，零件由材料制成的，失效原因固然与材料有关，应用所学专业知识找出零件失效原因，选择失效分析作为综合实验选题内容，具有理论和有实际双层意义。选择失效零件时，要突出学校和专业特色，兼顾学生未来可能服务行业，使学生感到实验分析的问题，可能就是将来实际工作中需解决问题，增加学生对实验的兴趣，充分发挥学生主观能动性的。

2.实验形式的改革。实验内容改革，给实验形式改革创造了机会。零件失效的原因多种多样，可能是使用、材料、机工多种所造成。枯燥的理论学习和实际问题联系起来，学生有一种兴奋感，参与就变得主动，对失效件进行观察分析、讨论，实验教学氛围十分活跃，教与学完美互动。拓宽了视野，学生創新思维得以发挥。实验项目内容包括宏观形貌观察，成分分析、微观组织观察及性能测试。应用专业理论知识将实验数据有机联系起来，分析零件失效的原因所在。实验内容与形式改革为教学改革提供了思路。

三、金属材料专业综合实验选题例举

笔者所在院校是培养为汽车行业服务技术人才的基地[5]，综合实验项目的设置就要符合专业特点，金属材料专业综合实验增加汽车零部件的失效分析实验项目。考虑汽车零部件生产工艺较为复杂，一定选择与材料专业有关的零部件，选择了汽车后桥齿轮作为分析对象。齿轮工作条件要求，制造齿轮选材加工工艺都比较严格，尤其是热处理工艺。齿轮心部要足够强度和刚度，齿轮表面要硬度高、耐磨性好。由齿轮的工作状态使心部和表面有着不同性能要求，齿轮心部性能要求依靠调质热处理方法，实现表面性能则要表面处理方法，如化学热处理淬火。制造齿轮工艺过程比较复杂，形成失效原因也多，能够在复杂问题中找到齿轮的断裂的原因，通过综合实验分析过程，使学生掌握汽车零件性能与热处理工艺方法关系的重要性。

1.失效样品的检验。金属材料专业本科生综合实验采用以学生小组为单位，学生由兴趣选取实验项目。每小组学生都要去查阅资料，集中选取最佳合理的实验方案。利用专业制样室的设备进行样品制备。样品制备质量直接关系到实验结果准确性，需要一个非常严格的制样流程。测试样取样时温度不能过高，观察断口的样品，断口不能被污染，然后分别进行断口观察分析、化学成分、组织观察和硬度测试。

断口形貌观察是零件断裂失效分析不可缺少的一个过程。了解掌握断口轮廓线、表面粗糙程度和塑性变形等特征，为推断断裂所服役过程提供依据，查找零件失效原因。宏观观察失效件断口形貌，由失效齿轮形貌可见断口平齐，且周围无明显塑性变形，由断口的宏观特征，可以初步推断失效齿轮断裂形式属于脆性断裂，脆性断裂又与齿轮金相组织有关。

齿轮材料化学成分分析是断裂原因分析中的一个基本过程，化学成分决定零件性能同时是确定热处理工艺的根据。由齿轮成分分析结果，可知齿轮使用材料为40CrNiMo中碳低合金高强度钢，热处理工艺应是先调质得到索氏体或屈氏体，达到心部高韧性的要求，然后再进行表面淬火获得马氏体，达到表面硬度高要求。根据齿轮材料成分正确选择热处理方式方法。

金属材料组织与力学性能有密切关系，组织是材料力学行为表现的原因，断裂是材料力学行为表现的形式，组织观察，就是建立材料组织与断裂关系。金相组织观察找到材料基体组织晶粒大小、第二相（包括夹杂物）在基体组织分布、大小和形态对性能的影响规律。让学生掌握金相样品制备方法以及组织特征，掌握评价组织的基本原则、以及国家标准对相应组织的要求。根据零件性能要求，正确制定热处理工艺。由被检齿轮材料中组织观察结果，被检齿轮表面硬度取决于为马氏体组织，硬度为58HRC，表面组织和硬度与国家标准相应规定比对，符合标准要求，但齿轮心部组织和硬度（58HRC）超出国家标准要求。

2.失效原因分析。金屬失效分析就是分析金属材料或零件在使用过程中失效的原因及可能发生的结果，并给出合理建议及措施。根据经验、国标综合加以分析判断，从实验结果筛查与经验、国标不符合项，不符合项就是失效产生的原因。由实验结果齿轮断裂与成分、表面组织及硬度均合格，所分析失效齿轮心部组织及硬度是不符合要求，造成齿轮断裂的原因就是心部组织，马氏体硬度高和脆性大，降低心部韧性，从而在齿轮使用时发生脆性断裂，形成脆性断口。齿轮组织是造成齿轮断裂直接原因，而心部马氏体组织是由于表面淬火加热时间过长，淬火冷却时使整个齿被淬透，整个齿被淬透是造成齿轮断裂的根本原因。通过齿轮断裂失效原因分析，使学生进一步认识材料成分、组织和性能关系;金属组织、性能与热处理的关系，热处理是实现零件性能要求的重要手段。

四、结束语

零件失效分析作为综合实验选题内容，增加了内容的趣味性，提高了学生参与度;零件检测实验中学生掌握仪器设备功能、操作规范，提高学生的实操能力。分析零件断裂原因过程中学会了由表及里分析问题思维方法，提高学生理论联系实际、分析和解决实际问题的能力，加深了学生对材料成分、组织和性能之间关系。掌握通过热处理去改善组织和性能有效方法，坚定了学生学习金属材料的信念和决心。失效分析作为综合实验的选题内容，收到较好教学效果，得到学校和学生肯定，综合实验改革项目获得学校实验技术成果奖励。

参考文献

[1]李俊峰，邱克辉，林金辉，等.材料科学与工程专业综合实验教学的实践与思考[J].成都理工大学学报（社会科学版），2010，18（2）.

[2]董欣.创新型人才培养与实验教学改革探讨[J].实验技术与管理，2011，28（9）：142-144.

[3]熊博文，万红，龙文元，等.金属材料工程专业综合性实验教学改革的研究[J].实验室科学，2007（6）：53-54.

[4]束德林.工程材料力学性能[M].北京：机械工业出版社（第2版），2007.

[5]安健，王渊博，李建忱.工程材料课程实验教学改革和探索研究[J].中国现代教育设备，2019（323）.

Comprehensive Experiment Teaching Reform and Innovation in Metal Material Engineering Specialty

L Xiao-xia，WANG Yuan-bo，YU Man

（Department of Materials Science and Engineering，Jilin University，Changchun，Jilin 130025，China）

Abstract：The contents and methods of comprehensive experiments for undergraduate in metal material engineering are very important aspects for developing students' fundamental theory，professional knowledge and practical skills in metal materials science and engineering.Self-selected experiment topics can effectively mobilize students' enthusiasm and initiative to participate in experiment classes，and better satisfy students' thirst for knowledge.The introduction of failure analysis of mechanical parts into the comprehensive experiment topic selection of undergraduates majoring in metal materials engineering can enhance students' understanding of professional knowledge，improve their ability to link theory with practice，and their ability to analyze and solve practical problems.

Key words：materials and engineering;comprehensive experiment;failure analysis;teaching reform