基于创新项目探索应用型人才培养模式

吴 腾，吴 润

（武汉科技大学材料与冶金学院，武汉 430081）

0 引言

高校办学治校的首要问题是回答好“培养什么样的人、如何培养人、为谁培养人”。这是办好中国特色社会主义大学的关键所在，是新时代高教思想给高校实验室管理体系建设提出的新内涵与新要求［1］。我校是一所以钢铁冶金为特色高校，金属材料工程专业又贴合社会实践和工程应用，提出以社会需求为导向，培养思想素质高、基础扎实、知识面广、富有实践能力和创新创业精神的材料工程领域的高素质应用型人才。面对世界各国都在加大新材料和新能源等领域技术研发和突破，我国制造业也面临转型升级，并适时提出了“中国制造2025”发展战略［2］和“新工科”建设［3］。为了应对新形势下发展需求，将先进的前沿科研成果转化为本科实验教学资源［4-5］，对培养具备实践创新能力和国际竞争力的工程应用人才具有重要意义。

材料力学性能和材料科学基础课程是材料类相关专业学生必修的专业基础课，传统的相关实验课内容较单一，主要是掌握实验原理和操作方法，不利于激发和培养学生的创新思维和探究能力［6-7］。我校通过改革传统教学模式和教学方法，在课程教学中引进汽车用先进热轧双相钢的介绍及研究进展，构建以问题、项目为导向的教学模式，鼓励学生参与多种形式的研究性学习，注重培养学生的创新意识和创业精神［8-9］。我校在与某钢铁企业合作的同时，在实验教学中引入不同级别的双相钢板，学生基于材料力学性能和材料科学基础相关理论及实验原理和实验室现有设备去判别所给两种双相钢的级别，使本科教学涉入工程实践前沿内容以提高其研究探索和工程应用能力。

1 实验材料及方法

双相钢作为先进高强钢具有高的强度、均匀伸长率、初始加工硬化率和低的屈强比等优点，广泛用于车身结构件、车轮、刹车盘和车架等。高强度热轧双相钢的开发研制不仅具有可观的经济效益，而且可实现节能减排和汽车的轻量化，符合“十三五”规划的发展纲要，具有广阔的应用前景和显著社会经济效益。实验项目取材于校企合作制备的汽车用热轧双相钢，板厚5.0 mm，待测的两种双相钢牌号分别为DP600 和DP1200。学生5 人1 组，每组两块实验用钢，分别编号为1＃和2＃，利用所学的理论知识和实践操作技能依托湖北省材料学实验示范中心和耐火材料与冶金国家重点实验室对待测实验钢强度级别进行判别。经过近3 年的实验研究发现，学生研究所使用的实验方法集中在拉伸试验、微观组织观察、硬度测试和冲击试验。

2 实验结果与讨论

2.1 拉伸性能及加工硬化率

按GB／T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》沿板轧向切取板状拉伸试样，标距为50 mm，宽度为12.5 mm，在WAW-500C 型液压式万能材料试验机上进行拉伸试验，测量其拉伸性能及加工硬化率（n值）。实验钢板经室温拉伸后得到的工程应力应变曲线如图1 所示。

图1 实验钢工程应力应变曲线图

又根据国标对强度修约至1 MPa、伸长率修约至0.5%可得相应的拉伸性能和n 值如表1 所示。1＃试样的抗拉强度为620 MPa，属于DP600；2＃试样的抗拉强度为1 273 MPa，属于DP1200。由图1 可见两种实验钢得到的拉伸曲线为连续屈服，且初始加工硬化率均较高，这是由双相钢的组织组成决定的。热轧双相钢首先在两相区等温弛豫析出铁素体，再快冷至Ms点以下相变得到马氏体，马氏体相变膨胀会挤压周围的铁素体产生大量的可动位错，从而均可以得到连续屈服和高的初始加工硬化率的实验钢板。通过拉伸实验可以判别出两块实验钢板的强度级别，但还没有搞清楚其他一些参数存在较大差异的原因，如果浅尝辄止，是不利于创造性思维和探究能力的培养，在实验教学中可引导学生发挥主观能动性，克服困难，这样也有利于加深理论知识的理解与应用。因此，学生想从微观的组织结构去做进一步的探索。

表1 实验钢拉伸实验结果

2.2 显微组织观察及断口形貌分析

为了探讨不同强度级别双相钢的组织组成机理及其对材料拉伸性能的影响，部分学生采用了扫描电子显微镜对实验钢的表面形貌和断口形貌进行了微观观察。从钢板上用线切割切取10 mm ×15 mm 的试样，将样品经粗磨—细磨—抛光—侵蚀，侵蚀液为4%硝酸酒精溶液，侵蚀时间为10 s。图2（a）所示是1＃试样5 000 倍下得到的照片，马氏体有长条和小块状，边界平直而清晰，体积分数约18.7%，铁素体内无碳化物等析出物。图2（b）所示是2＃试样5 000 倍下得到的照片，马氏体体积分数约为76.8%，以大块状和长条马氏体为主。由于马氏体是碳在铁素体中过饱和的固溶体，其强度也远高于铁素体，2＃试样的马氏体较多，其抗拉强度也较高，故也可以通过显微组织对其强度进行判别，其铁素体较少且内部有碳化物析出，故其屈服强度较1＃试样要高，而铁素体承担了大部分的塑性变形，导致其伸长率也较低为13.0%。2＃试样中较多的大块状马氏体降低了马氏体与铁素体的有效接触面积，使其n 值也相对较低为0.12。图2（c）所示是1＃实验钢拉伸后的断口形貌，内部有较多的韧窝，韧窝边部有白亮区，是由于高应变塑性变形并与拉伸轴呈45°的剪切应变产生，是典型的微孔聚集断裂，说明该实验钢的塑韧性较好。而2＃实验钢中也有韧窝［见图2（d）］，其韧窝较1＃试样少且浅，说明该实验钢具有一定的塑韧性，但是较1＃试样的要差，其伸长率和n 值也相对较低。拉伸实验和金相观察得到的结论是一致的且相互印证，但其操作过程较为复杂，特别是金相制样需要多道工序去耐心和细心的完成。

图2 实验钢的扫描电镜照片

2.3 硬度测试分析

实验钢是高强度热轧双相钢，虽然均是由马氏体和铁素体组成，但其体积分数不一样，得到的力学性能也不一样。硬度是材料抵抗另一种较硬物体压入表面的抗力，故硬度和强度具有相关性。而硬度通过压入深度反应硬度的大小，压入深度越大，硬度越小，强度也越低；压入深度越小，硬度越大，强度也越大。硬度测试是在洛氏硬度计HR-150A 上进行，加载力为1.5 kN，压头为金刚石压头，其操作简便，可直接通过表盘读数得到硬度值。由于洛氏硬度的压痕较小，需对试样打多个点取平均值。按照GB／T 230.1—2009《金属材料洛氏硬度试验第1 部分：试验方法》进行预加载荷、加主载荷、缓慢卸载等操作，最后从表盘读数，保留一位小数。得到1＃试样的平均硬度为34.1 HRC，2＃试样的平均硬度为56.4 HRC。由于含碳量的不同，马氏体硬度＞铁素体硬度，故可根据硬度测试判别1＃为DP600 及2＃为DP1200。

2.4 冲击测试分析

冲击试验是一种高应变速率的动态力学试验，它将具有一定形状和尺寸的带有U 型或V 型缺口的试样，在冲击载荷作用下折断，以测定其冲击吸收功AK和冲击韧性值αK的一种试验方法。由于待测试样的强度级别相差比较大，DP1200 属于超高强双相钢，其马氏体含量多，而马氏体既硬又脆，故其冲击功也相对较低。冲击测试是在JB-300 上进行，按照GB／T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》将试样加工为10 mm×5 mm×55 mm，试样中部开深2 mm的V型缺口，摆锤量程选用150 J。首先进行空摆试验，当其冲击功为0 时，再进行对试样的冲击。冲击测试得到的1＃试样的冲击功为54 J，2＃试样的冲击功为31 J，故1＃试样为DP600，2＃试样为DP1200，这与前述的断口分析的结果一致，说明1＃比2＃具有更好的冲击韧性。

3 实施效果

学生在实验结束后对实验结果和方法进行了对比和分析，通过查阅文献对双相钢的研究进展有了进一步的了解，DP600 是目前汽车用双相钢生产应用的主流，但DP1200 因其超高强度和相对较差的力学性能和成形性能仅停留在实验研发阶段，而汽车用钢的强度越高越有利于减重，从而达到轻量化的目的。因此，汽车用钢的高强化是未来的发展方向。通过创新项目探究了这两种实验钢板的强度，不仅有利于学生加深对相关理论知识的理解和实验技能的掌握，而且有利于调动学生的主观能动性和提高学生的团队协作能力，有部分学生申请留校读研进行更深入研究，以期能为DP1200 的研发和生产应用贡献自己的力量。我校也积极响应党和国家“大众创业、万众创新”号召，深入贯彻落实《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》，于2017 年由教务处、学工处、校团委、研究生院、科研发展研究院联合组建了创新创业学院，制定了“武汉科技大学大学生创新创业训练计划项目管理办法”和“武汉科技大学学生学科和科技竞赛管理办法”，对学生的创新实践训练给予了极大支持。我校金属材料工程专业2016 级学生积极参加由中国体视学学会主办的第七届“金相学会杯”全国高校大学生金相大赛和第五届材料综合技能大赛，参赛学生获得1 个特等奖、2 个一等奖和1 个二等奖，也参加了由教育部高等学校材料类专业教学指导委员会主办的第八届全国大学生金相技能大赛，参赛学生获得1 个一等奖、1 个二等奖和1 个三等奖。创新项目和竞赛指导相辅相成，共同促进了教学的提高，也促进了教师进一步的教学改革以期取得更好的成绩［10-12］。

4 结语

结合汽车轻量化技术的发展现状，将先进高强钢引入实验教学中，基于材料力学性能和材料科学基础的实验原理探究了所给两种热轧双相钢的强度级别，开阔了学生对当前汽车工程材料认识的视野，培养了学生动手操作能力、研究探索能力和创新思维能力，取得了较好的实验教学效果。将科研成果和进展项目转化为实验教学资源，这对实验教师的科研能力和教学水平提出了较高要求，需要实验教师苦练内功、大胆创新、积极探讨研究新技术与新方法［13-15］。我校积极开展实验教学成果奖评比、加大学科竞赛指导老师的奖励制度以及将正高级实验师纳入职称评审体系等，有利于增强实验教师的荣誉感、归属感和价值感。这种良性互动有利于深化实验教学改革，也是培养具有严谨科学精神与责任担当意识的新时代工程应用人才的应有之义。