钢的普通热处理“虚实互补”实验设计与应用

范涛 王倩 李艳霞 李冲冲 赵东方

【摘   要】   钢的普通热处理是材料类、机械类相关课程中重要的实验环节之一。以钢的普通热处理原理与工艺为基础，运用Adobe Flash与Adobe Captivate软件，设计建成45钢和T12的成分、工艺、组织与性能的热处理“虚实互补”仿真实验，实现了钢的普通热处理实验在线仿真与考核工作。该仿真实验不仅可以揭示那些在传统热处理过程中不易观测的现象，而且使得该类仿真能做到细节展示好、交互体验性好、上手快、复现性好、制作成本低、不受实验时间空间和硬件资源等限制，在多方面具有传统实验教学所不具备的优点。与传统实验教学的对比表明，该仿真可明显提高传统实验教学的质量，弥补其不足。由于其产生的动态效果能够实现线上教学，因而具有极大的市场推广价值。

【关键词】   钢的热处理;实验仿真;设计;应用

Simulation Design and Application of General Heat Treatment Experiment of "Virtual Reality Complementation" for Steel

Fan Tao， Wang Qian， Li Yanxia， Li Chongchong， Zhao Dongfang

（North China Institute of Aerospace Engineering， Langfang 065000， China）

【Abstract】    Steel general heat treatment is one of the key experimental links in material and mechanical teaching. Based on the principle and the process of steel general heat treatment， this article applies Adobe Flash and Adobe Captivate software to designing and building “virtual reality complementation” simulations of heat treatment for composition， process， structure and performance of 45 steel and T12 alloy steel， and realizing online simulation and assessment works for experiments of traditional steel heat treatment. The simulation may not only reveal some important phenomena that are difficult to observe during real heat treatment process， but display experimental details very well and have good interactive experience， quick start-up， good reproducibility， low product costs， and not be restricted by experimental time， space， and hardware resources， possessing many advantages that traditional experimental teaching may not have. Since its dynamical effects can realize the online teaching work very well， it would show a great marketing prospect. Comparing with traditional experimental teaching work shows that such the simulation can obviously improve the quality of traditional teaching， thus may provide a useful supplement for traditional methods to make up the latter shortcomings.

【Key words】     steel heat treatment; experimental simulation; design; application

〔中圖分类号〕  G482               〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2022）01- 0111 - 06

0     引言

随着信息技术的不断进步， 社会对人才的需求呈现出多样性，这就使得高校传统的实验教学体系和实验平台要进行不断变革和更新。虚拟仿真又称虚拟现实技术或模拟技术，就是用一个虚拟的系统模仿一个真实系统的技术。从狭义上讲，虚拟仿真是指20世纪40年代伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一类试验研究的新技术[1]。

虚拟仿真实验包含教学设计、虚拟场景设计、虚拟对象设计、交互设计等步骤，是一门新兴的综合技术，是计算机的图形学、人机交互等技术的综合体现。在相关指导下计算机和网络技术的快速发展，正在加速信息化和虚拟仿真教学的进程[2]。开设虚拟仿真实验的原则是：虚实结合、相互补充，让学生有效地把虚拟仿真实验与实体实验相结合。学生在进行实体实验之前可先在虚拟仿真中心进行预演，让学生对仪器的操作及使用可以反复练习，当出现错误操作时会及时提示而不损害仪器;虚拟仿真实验绿色环保，不浪费材料和能源，不受时间限制;培养学生的自主学习能力，提高了学生实践和应用能力、研究和创新能力。

本文参照现实的实验场地、实验设备及所开展的实验项目进行设计，把实验所涉及的场地、设备、工具、材料等内容进行现实虚拟化，运用Adobe Flash与Adobe Captivate软件，设计建成45钢和T12的成分、工艺、组织与性能的热处理仿真实验，以实现钢的普通热处理实验在线仿真与考核工作，为线下实验提供有益的补充。

1     设计思路与工艺路线

金属的热处理是机械制造中极为重要的一环，能够改善组织的性能，从而使材料的耐磨损性、塑韧性等得到极大的改善，不仅能推动我国工业的可持续发展，还能满足环境保护、节能减排的需求[3]。

1.1   钢种和工艺路线选择

本文设计选用45钢和T12进行仿真交互制作。45钢和T12钢热处理工艺路线如表1、2所示[4]。

1.2   热处理后硬度测定及仿真模拟

热处理完成后用洛氏硬度测试机测量钢件热处理后的硬度。最终热处理结束后45钢硬度要求达到20HRC，T12钢硬度达到63HRC。并采用Adobe Flash计算机软件制作动画，再用Adobe Captivate制作成交互视频。

2     实验步骤

2.1   实验设备及软件

本文设计所使用的仪器为箱式电阻炉、洛氏硬度计、金相显微镜、Adobe Flash与Adobe Captivate软件等。Adobe Flash可以制作比较复杂的动画，Adobe Captivate能够把图像进行串联，制作成可供人们学习的交互视频，类似于PPT软件的界面。

2.2   正火动画的制作

本文设计45钢和T12两种钢种，因此分成两大类动画制作，每个正火动画又分成放试样、取试样以及空冷三种动画。首先要制作各种元件，包括常温试样、加热后试样、炉子（不带炉门）、炉门、钳子、温度层、拿试样小手、开炉门小手、底层背景。并且保证一元件一图层的本质，设置不同的图层。插入关键帧以后，改变元件的位置，在两个已经存在的关键帧中间右击创建传统补间，如图1所示，即可创建出所需动画，创建好动画的时间轴如图2所示。其余的动画也如上方法完成。图层的放置顺序通常是在时間轴越靠上的图层放置越靠前，可通过手动拖动时间轴上的图层改变图层的先后顺序，拖动时黑线位置即为拖动到的位置，如图3所示。

通过不断制作元件的补间动画，即可完成45钢以及T12钢的正火放试样的动画。制作完成动画后，通过文字插入温度的变化，并设置温度的独立图层（图4）。点击播放，即可观看所制作的放试样的动画。点击创建新文档，并命名为取试样。可重复利用放试样的元件。同时打开两个动画，在属性面板中找到所需元件，点击复制（图5），即可粘贴到新的所创文件中，不用再次创建元件，可自动生成为工作文件中的元件，但是要注意设置不同的图层，经过插入关键帧、创建补间动画，描取动画中的关键点即可制成新的动画。

2.3   球化退火动画的制作

T12钢正火后必须进行球化退火，经过退火球状的碳化物就可以均匀地分布在铁素体的基体上，使T12钢件的塑性、加工性得到改善。球化退火动画的制作与正火动画基本原理相同，可重复利用已有的图层、元件。T12的球化退火需要制作放置试样、加热保温、炉冷至600℃、取出试样空冷四种不同的动画，每个动画单独制作一次。动画制作完成后点击播放，检查动画是否正确、完好。

2.4   淬火动画的制作

45钢与T12钢都需要进行淬火热处理，45钢的淬火工艺位于正火工艺之后，T12钢的淬火工艺则位于球化退火之后。淬火动画包含放试样、保温、水冷、搅拌、水冷后取出五部分，45钢和T12钢各5个动画单独制作，总计10个动画。同样可以利用已有的图层和元件，进行动画制作。制作完成后点击播放，检查动画的完整性，并设置发布位置（图6），选择发布的格式（图7）。设置完成后点击发布，即可得到所制作的动画。

2.5   回火动画的制作

45钢回火后需要进行水冷，而T12钢回火后冷却方式为空冷。所以45钢热处理动画包含放试样、加热保温、取出试样放入水中、搅拌冷却、取出水冷试样5个动画，T12钢则包含放试样、加热保温、取出试样空冷3个动画。制作完成后按上述方法进行动画发布即可。

2.6   测硬度动画的制作

热处理完成后，可以通过对试样硬度的检测来判断热处理是否合格，45钢热处理后硬度约为20HRC，T12热处理后硬度约为63HRC。本动画需要制作表盘、指针、握柄、支柱、载物台、转盘、卸力手柄、加力手柄、压头、试样、放试样手、抓握柄手、转动表盘的手等元件。保持一元件一图层，可以制作形成27个不同的图层。

2.6.1   表盘的制作

双击“图层1”，将其重新命名为“表盘”，通过椭圆工具画出一个表盘，完成之后点击时间轴左下角的“新建图层”，然后把名字改成“小刻度”，用线条工具绘制出一条束线，然后把线条的变形点拖拉到表盘最中间的地方。在“变形”面板中将旋转角设置为3.6°，然后再次点击“重置选区和变形”的按钮，如图8所示，左击100下时间轴上的隐藏图层按钮（图9）。点击“新建图层”，把名字改成为“中刻度”，画出一条竖线，把线条的变形点拖拉到表盘最中心的位置。然后在“变形”面板中在旋转角中设成18°，就可以再次点击“重置选区和变形”按钮，左击20下，左击时间轴上的“隐藏图层”按钮，就可以得到中等刻度。再次点击“新建图层”，把名字改成“大刻度”，用同样的方法，即可得到中等刻度，点击取消隐藏图层，用“部分选取工具”按钮选择表盘，点击创建元件（图10）。自此，一个钟表元件便做成了（图11）。

之后逐个绘制并制成元件，在制作转杆旋转时，首先拖动形变点，移动到转杆最中央位置，在之后某一帧插入关键帧。点击“任意变形工具”按钮，并把形变点移动到最中央位置（图12），图中白色原点即为形变点，旋转转杆到所需位置，点击创建传统补间，左击创建的补间中任意一点，找到属性面板，选择旋转方向并选择旋转圈数，小于一圈则输入“0”，大于一圈则输入所旋转圈数，按照舍去小数点圈数的方法设置圈数，例如需要旋转1.5圈，则输入“1”，如图13所示。

新建指针图层。指针制作完成后，点击“部分选取按钮”，把指针做成元件，点击“任意变形工具”按钮，选取指针形变点，并移至表盘最中央处，在合适的帧处插入关键帧，并把指针移至合适的位置，在两关键帧中间某一帧右击，点击创建传统补间，在属性面板设置旋转的方向、旋转圈数，便制作成了指针的旋转动画。

2.6.2    支柱上升、下降动画的制作

新建支柱图层并制作支柱，制作完成后创建成元件，支柱的上升、下降动画不同于其他动画的制作，本动画的制作需要利用元件的拉伸与收缩。在合适的位置插入关键帧，点击“任意变形工具”按钮，拉伸变形的黑点，再适当调整支柱的位置，点击创建传统补间，便可制作支柱的上升与下降动画。

2.6.3   压杆手的制作

点击新建图层并命名为压杆手，拖动小手插入软件中，用“套索”中的“魔术棒”按钮选择抠出小手，并用“任意变形工具”按钮选择小手，创建成元件，之后摁住“alt”键的同时拖动小手，则会形成两个小手，把两个小手的形变点拖动到与压杆的形变点相同的地方，即压桿的最中心处（图14），白色圆点即为形变点，使压杆和小手保持同时旋转，在相同帧处插入关键帧，创建传统补间，设置旋转方向与旋转周数，使压杆与小手相对位置保持不变，即可制作出手与压杆旋转动画。

经过适当调整各个关键帧，并制作各个元件，创建传统补间，测硬度的动画难点基本完成。其余如加力手柄、卸力手柄等的移动只需要按照热处理中元件相对移动的方法创建，45钢与T12钢的测硬度动画的不同之处只在于加主载之后指针旋转位置的不同，元件可以重复利用，只需重新完成加主载后的指针旋转动画，也就是只改变加主载后的指针图层与文字图层即可。

2.7   观察试样动画及开机操作动画的制作

观察试样动画同样按照如上原理制作，首先制作机身、目镜、物镜、粗准焦螺旋、细准焦螺旋、载物台等元件，然后制作把试样放到载物台上，让物镜方向变为朝下，完成后用粗调手轮就可以改变载物台的位置，用眼睛看着目镜，让物镜逐渐靠近试样的表面（注：不能使物镜和试样接触上），若使载物台位置上升，首先要转动粗调的手轮，微调手轮用于视野中出现光亮后，按照此原理制作动画。

开机操作动画可以利用已有电阻炉元件进行制作，只需加入调节小手元件，温度与时间文字层，上一温度的末尾温度即为下一温度的起始温度，并调节时间，按照如上的动画制作原理即可完成开机操作动画的制作。

2.8   仿真交互的制作

动画完成后，便可以开始制作仿真交互，本次交互的制作使用Adobe Captivate软件，本软件上手容易，画面与PPT软件十分相似。

打开软件之后，会出现如图界面，点击空白项目（图15），在题目栏输入“钢的热处理及其热处理后的显微组织的观察实验仿真”，点击“媒体”中的 “图像”插入学校校徽，点击“形状”，选择矩形，之后复制矩形，并为矩形选择合适的位置，双击矩形，一个输入“45钢”，另一个输入“T12”。点击“形状”，选择矩形，双击输入指导老师，基础页面便制作完成（图16）。

在“幻灯片”中选择“空白幻灯片”，点击标有“45钢”字样的矩形，在属性面板中点击“用作按钮”，在“样式”中选择填充颜色为红色，选择“转到幻灯片”，选择“2幻灯片2”，如图17所示。选择第二张幻灯片，在其中插入6个相同大小的矩形框，分别双击输入“开机操作”“正火”“淬火”“高温回火”“硬度测试”“观察试样”，如图18所示，插入一定数量的空白幻灯片，点击带有“开机操作”字样的矩形，点击“用作按钮”，在“样式”中选择填充颜色，选择“转到幻灯片”，选择“3幻灯片3”，选择第三张幻灯片，点击“互动视频”，插入开机演示动画，选择“形状”中的“向右箭头”，双击输入“下一步”，同样用作按钮，选择“到下一张幻灯片”，点击“形状”中的“椭圆”，双击输入“开机演示”，点击时间轴按钮，把“活动”调制3秒，并移至动画末尾，少于3秒的动画则缩短动作时间（图19）。

选择下一张幻灯片，找到45钢热处理页面带有“正火”的矩形，设置动画转到相应的幻灯片，并在相应的幻灯片按照“开机演示”幻灯片页面的设置方法进行设置（注：下一步按钮可以复制粘贴使用，且不用设置动画，已经默认为转到下一张幻灯片），通过插入“45钢正火放试样”动画，点击下一张空白幻灯片，插入“45钢正火保温”动画，并按照如上方法进行时间轴、动画名称、下一步按钮的制作，之后插入“45钢正火取试样空冷”动画，同样按如上方法制作页面，这样45钢的正火交互便完成了，按照如上原理依次制作“淬火”“高温回火”“硬度测试”“观察试样”的热处理动画交互，同样按照如上方法制作T12的动画交互。

3     应用

本仿真实验项目历经2年的教学实践，校内外学生观看次数近800次。对有无实验仿真的实验教学效果进行对比发现，实验仿真弥补了真实实验教学的不足，能明显提高实验教学质量。有实验仿真的实验教学效果明显好于无实验仿真的传统实验，实现了一对一交互式实验操作，学生满意度较高，对于不易观测、难以言明的实验原理和现象理解更透彻，实验安全操作失误率大大降低，在真实实验中，实验操作上手更快捷、更有序，平均实验时间减少，实验成绩普遍提高，同时做到节能环保。

4     结语

本文中钢的普通热处理实验仿真设计将传统热处理工艺与计算机技术相结合，制作成本低，采用一对一交互式的在线实验学习、操作，交互体验感更强，上手快，复现性更佳，节能环保。今后可不断开发新内容，让学习者在实验中锤炼创造性思维，并与“工程材料与热加工”“金属学”和“热处理原理与工艺”等多门课程结合，具有极大市场推广价值。

[参考文献]

[1]  丁怀平，韩民，刘飞. 材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建立[J].中国教育技术装备，2017（8）：11-12.

[2] 郭燕秋，朱远征，程平，等. 虚拟仿真技术的应用进展[J]. 科技创新与应用，2020（1）：149-151.

[3] 林志祥. 金属材料热处理工艺与技术分析[J].信息记录材料，2020（1）：29-30.

[4] 叶宏. 金属热处理原理与工艺[M]. 北京：化学工业出版社，2011： 162-176.