金相实验教学标准试样的研制与应用

黄 鹏， 孙建林， 刘亚东， 唐志君

（1.北京科技大学材料国家级实验教学示范中心，北京100083；2.北京科大分析检验中心有限公司，北京100083）

0 引 言

当前我国高等教育面临的一个突出问题是校际教学质量差距大、区域发展不平衡［1］。国家级实验教学示范中心的设立，对推广高校优质实验教学资源，提高高人才培养质量、消除教学水平差距发挥了重要作用［2-3］。而示范中心示范作用的发挥，国家级精品课程的推广，协同教学需要有统一标准化的实验教学基础支撑与保障［4-5］。

材料国家级实验教学示范中心结合国家级精品课程建设，设计、研制系列金相标准试样，广泛应用于金相实验教学［7］、大学生科研训练计划（SRTP）、大学生专业学科竞赛［6-7］、中学生科普活动和厂矿企业研究等方面，为实验教学、竞赛和科研培训等活动提供了标准、统一、便捷的样品平台，对发挥示范作用、推广优质教学资源产生了积极推动作用。

1 高品质金相试样保障金相实验教学质量

金相学是研究金属材料组织的一门学科，通过对金属材料宏观和微观组织的观察分析，来研究金属组织成分、结构和性能之间的关系，是材料、机械、冶金等专业高级人才培养中非常重要的内容［8］。金相实验教学在金属材料及相关专业实验教学中占有非常重要的地位。

金相试样直接影响金相实验教学质量［9-10］。从非专业生产的社会企业采购试样用于实验教学，常因不具备精准熔炼、复合机加工、热处理调控组织等条件，存在成分不稳定、组织、性能不可控、品种单调等诸多问题，极易影响金相实验教学质量。如，外购得到锻造组织45 钢、粒状珠光体T8 钢试样，教师需再进行组织检验和热处理，将样品组织调整到实验教学的理想状态。费时费力而且耗费实验教学经费，如不经检验和处理实验教学无法正常进行。

成分稳定、组织标准可靠的系列金相试样，是金相实验教学质量的基础和重要保障，对材料类专业及相关专业的金相实验教学［11-12］非常重要。同时，材料类大学生竞赛、科研培训活动，也需要标准、稳定的高品质金相试样。

2 金相标准试样的设计、制备和检验

2.1 金相标准试样设计

针对上述问题，自2011 年起材料国家级实验教学示范中心整合内部实验资源与条件，发挥学科优势，与优质教学资源相结合，由国家教学名师、北京市教学名师参与开发研制了多个系列金相实验教学标准试样。如，结合国家精品课程、校级精品课程“材料科学基础”“金属学”“金属材料学”等课程，考察其他高校材料类、机械类专业实验课程，根据教学内容和样品成分，设计了铁碳合金平衡组织系列（如表1）、合金钢系列、铸铁系列、有色金属合金系列等多个系列几十种组织的金相标准试样。

按使用方向可将金相标准试样分为观察用试样（见图1）和操作用试样（见图2）两种。观察用试样为镶嵌试样，可供教师、学生直接观察、分析组织；操作用试样多为全金属试样，供学生进行实验操作，也供专业学科竞赛使用。

表1 铁碳合金组织系列试样

图1 观察用镶嵌样金相标准试样

图2 操作用全金属金相标准试样

此外，可根据需求开发研制具有特定成分和形状，经特定工艺制作具有特定组织的金相试样。这是一般简单加工企业无法做到的。

2.2 金相标准试样制备

制备流程（见图3）包括熔铸、锻造、热处理、机加工、金相制样5 个主要步骤。

图3 金相标准试样制备工艺流程

（1）真空熔铸。采购所需高纯度原料，根据试样的国家标准或设计成分进行配比。合金成分控制是一项难点，使用真空感应炉熔炼制备，保证高清洁度避免夹杂物，可精确控制化学成分；除需精确配置合金成分，还要预估损耗，并根据各合金成分的熔点、沸点和溶解度来制定合理工艺。采用精准真空熔炼可保证样品材质完全符合相应国家标准或满足设计合金成分要求。

（2）锻造。将铸锭锻造成目标尺寸形状，预留氧化脱碳层和机加工余量。

（3）热处理。根据对材料显微组织要求，设计热处理工艺，确定保温温度、时间和冷却方式，进行相应热处理。

（4）机加工。根据设计试样用途，将合金坯料加工成需要尺寸；在此过程中，去除氧化脱碳层等在热处理过程中因高温氧化反应成分发生偏差的坯料外层。

（5）金相制样。对观察用试样进行镶样，随后完成“粗磨→水磨→抛光→浸蚀→防氧化处理”的整套制样流程。

2.3 成分与组织检测

具有严格的检验制度和检验方式。制备好的标准试样，必须经成分、组织等检验。各批次试样按比例抽检，使用通过CNAS和CMA认证的赛默飞世尔直读光谱仪进行成分测量（见表2），使用奥林巴斯激光共聚焦显微镜观察检验金相组织。确保成分、组织等均合格后，每块试样将刻印唯一性编号。

表2 第五届全国大学生金相技能大赛所供比赛试样成分检定表（优质钢标准）

3 金相标准试样的应用

3.1 实验教学应用

金相标准试样解决了实验教学需要大量成分稳定、组织正确金相试样的问题。自2011 年以来材料科学与工程、高等工程师学院7 年共有2 500多名学生使用中心研制金相标准试样接受实验教学。其中，实验课“过冷奥氏体等温转变曲线的测量”使用试样根据实际教学需求制作外形尺寸，大大方便学生的实验操作，人均节省时间10 min以上。

铁碳合金组织系列试样应用于“材料科学基础”“金属学”“金属材料学”“金属材料热处理”等课程的实验教学。学生观察铁碳合金试样碳含量从小于0.021 8%逐渐增加至5%。根据教学要求还可增加特定碳含量的铁碳合金观察试样。可结合相应实验教学虚拟实验使用［13］，让学生先使用观察用试样，学习标准金相组织的形貌、构成，随后使用操作用试样进行实验操作，最后对比个人实验结果与标准试样的差异进行分析，大大增强学生的实践能力和分析能力。

实验教学标准试样可根据教学要求调整成分、组织形貌。自2015 年起，许多高校将实验教学标准试样应用于自身实验教学中（见表3），稳定的成分、组织形貌和根据使用要求调整的外形有力保证了实验教学顺利进行。

表3 应用金相标准试样教学及培训高校数量和使用量统计表

3.2 大学生科研训练计划（SRTP）应用

在大学生科研训练计划（SRTP）中，系列金相试样也得到广泛应用。材料及相关专业科研创新活动中，金相制样后观察分析材料组织是非常普遍和基础的科研步骤。金相制样是金属材料及相关专业研究生的基本技能。加入大学生科研创新活动的很多一年级、二年级本科生尚未经过专业课程教学。试样成分均匀、组织稳定，可保证参加SRTP 的大学生科研学习的正确性，培养大学生实践能力。

3.3 大学生专业学科竞赛应用

金相标准试样为专业学科竞赛提供了质量均一、确保比赛公平性的标准化试样平台。2011 年6 月首届北京科技大学大学生金相实验技能大赛开始使用该系列试样进行比赛。至2016 年，标准试样应用于连续6 届北京科技大学校内大学生金相实验技能大赛暨全国大学生金相技能大赛选拔赛，有力保障了比赛进行。2015 年教育部材料类专业教学指导委员会主办第四届全国大学生金相技能大赛，将中心研制标准试样指定为大赛专用试样。此后连续4 届大赛相继使用金相标准试样作为复赛、决赛样品（见图4）。试样受到大赛组委会、评委会和参赛高校师生的一致好评，对“以赛促学”提高学生学习积极性提高综合素质发挥了积极推动作用［14-16］。

图4 2015 ～2019年全国大学生金相技能大赛提供标准试样统计

3.4 科研实验应用

金相标准试样解决了高校及厂矿企业研究所进行科研实验时，需要定制试样成分、组织及外形的问题。常有很多实验教学尤其是科研实验需要特定成分、组织试样进行教学、实验，而该成分合金无厂家生产。中心金相试样可根据需要进行定制，打破了金相实验教学或科研实验在试样成分、组织等方面的限制。

因为金相标准试样生产过程精准，品质稳定可靠，具有先进性和实用性，自开发研制以来被大量使用。自2015 年至2019 年累计有全国210 多所高校、企业单位使用金相实验教学标准试样超过50 000 件。

4 建设成效

金相标准试样的研制与应用，彻底避免了因成分、组织不正确影响实验教学的问题，并可根据实验教学需求调整成分、组织、工艺步骤与外形尺寸，提高了实验教学效率，便于本科实验教学的开展，并为专业学科竞赛提供可靠、公平的基础平台，使用效果良好。金相标准实验的研制使用，有助于更多科研实践活动的开展和本科生动手能力、创新能力的培养。

同时，通过研制金相标准试样，整合了国家级实验教学示范中心的优质教学资源和仪器设备资源，提高了大型仪器设备利用率，打造了一支高水平科研生产队伍。结合金相标准试样拍摄编写金相图谱1 册，通过标准试样、金相图谱和虚拟仿真实验［13］结合推广，发挥国家级实验教学示范中心的示范作用，推动学科实验教学水平发展。

5 结 语

北京科技大学材料国家级实验教学示范中心结合优质教学资源，国家教学名师、北京市教学名师参与设计研制了多系列金相标准试样。金相标准试样的研制具有先进规范的生产工艺、严格的质量检验，获得北京科技大学实验技术成果奖特等奖。金相标准试样已在实验教学、SRTP、大学生专业学科竞赛、科研实验等多领域应用，评价反馈良好，为推广优质教学资源、提升实验教学质量、推动大学生竞赛开展发挥了重要作用，并发挥了国家级实验教学示范中心的示范作用。