《金属材料学》课程的教学思考

侯 琼

(华南师范大学化学学院，广东 广州 510631)

《金属材料学》是一门材料科学理论与实际应用结合较强的学科基础课。通过本课程的学习，学生能够掌握各类金属材料的成分、组织和热处理工艺特点及其之间的关系，能够根据零件的服役条件，合理地设计材料的成分并制定适当的热处理工艺；能够根据所学理论知识选择和使用金属材料、具有从事金属材料研究和加工的能力以及解决工程应用中实际问题的能力。该课程包括的知识点多且较零散、理论性和实践性都较强，要求学生要有较好的专业基础知识，但是学生之前所学的与金属材料有关的先修课较少，基础知识较薄弱。因此，学生学习会感到困难，很难将所学知识融会贯通。怎样提高学生的学习积极性，笔者对近年来的教学谈谈自己的体会。

1 多提问，让学生积极参与课堂教学

金属材料的应用非常广泛，学生对金属材料并不陌生，日常生活中经常可见各种金属材料。因此，可以让学生观看各种金属材料的图片，如建筑、桥梁、船舶、各种各样的机器零件以及日常生活用金属材料等。以生活中实际应用的金属材料为例进行分析，如刚买回来的不锈钢用品看上去亮晶晶的，但使用过一段时间后发现表面变得灰暗。让学生思考为什么不锈钢能不锈？不锈是绝对的吗？又比如有些钢制品使用长时间后表面整体锈蚀，而有些却是形成点状蚀坑？有一些机器零件，工作时零件的表面和心部受力情况不同，要求表面和心部具有不同的力学性能，怎样才能达到要求？高铁、宇宙飞船上使用的金属材料有哪些？硫和磷是碳钢中的长存杂质，在易削钢中它们还是杂质吗？它们对易削钢的性能有什么影响？授课过程中实时提问，引导学生积极思考，有效地参与到课堂中，这样就可以调动学生的学习积极性，激发学生的好奇心，希望从后续的课程中获得答案。

2 具体问题采用案例说明

教学过程中，根据教学内容穿插适当的实际例子来吸引学生的注意力，提高学习兴趣。如学习工程构件用钢时，为了帮助学生理解工程构件用钢要有足够的低温韧性，以二战期间，美国4 000多艘运输船在使用过程中由于材料的低温韧性不足导致有近20%的船只发生断裂事故的事件为例来分析，让学生充分理解材料的成分和性能之间的关系。又比如讲结构钢的强度与脆性时，以“泰坦尼克号”巨轮沉没事件为例分析。“泰坦尼克号”造船用的是当时最优质的钢材，但却在首航时受到冰山撞击船体产生裂纹后在仅仅3个小时内就沉入海底，引起世人震惊。以该事件为例，引导学生思考“泰坦尼克号”在短短的几个小时内沉没的原因。讲钢的电化学腐蚀原理时，以格林太太口腔中的两颗不同材质的金属假牙导致头疼为例，两种不同的金属与唾液构成了一个原电池产生了电化学腐蚀。重庆市綦江县彩虹桥整体垮塌事故，其中一个原因就是主拱钢管焊接存在裂纹、气孔、夹渣等严重缺陷。针对消费者在使用某品牌菜刀拍蒜时发生菜刀断裂的事件，引导学生思考菜刀发生断裂的原因可能是由于制造菜刀的钢韧性不足。菜刀是一种工具，工具钢除了要有高的强度和硬度之外，还需要具有一定的韧性。引导学生思考要达到这样的性能要求，工具钢应怎样进行成分设计及制定热处理工艺。让学生从具体的案例中去领悟材料的成分设计和加工工艺的重要性，培养学生严肃认真的学习态度。

除了实际案例之外，还可以采用文献案例法。由于受到篇幅的限制，教材对具体钢种的实际应用的例子较少，在讲具体钢种的应用时，可引用文献说明。在讲解渗碳钢时，除了要让学生了解渗碳是一种化学热处理，掌握渗碳的原理和方法以及渗碳钢的使用条件及性能要求以外，还需要了解渗碳零件在加工和使用过程中可能存在的各种问题。这里可以引用文献说明，同时也可以让学生自己查阅文献，从文献中去分析总结渗碳零件在加工和使用过程中可能存在的各种问题。例如渗碳钢20CrMnTi被广泛用于制造承受高速、冲击及摩擦的重要零件，但在加工过程中存在开裂问题。文献“20CrMnTi圆钢加工开裂原因分析及改进措施”分析了导致加工开裂的原因来自炼钢夹杂物、冷却不均、轧钢折叠等方面，并提出了改进措施[1]。通过文献“国内外渗碳和渗氮工艺的新进展”了解渗碳和渗氮热处理工艺在高温渗碳、深层渗碳、高浓度渗碳、真空渗碳淬火、活性屏离子渗氮、不锈钢固溶渗氮和不锈钢的低温渗氮和渗碳方面的发展，让学生了解渗碳和渗氮热处理工艺技术的发展前景[2-3]。高速钢具有较高的硬度、耐磨性和红硬性等，广泛应用于高速切削刀具等。但是高速钢中合金元素含量较高，由于合金元素的影响，其热处理温度较高，在热处理过程中易产生过热、过烧等热处理缺陷导致高速钢刃具出现断裂等情况。研究高速钢刃具的文献很多，我们可以通过阅读文献进一步了解高速钢的热处理缺陷及其预防措施。如文献“W6Mo5Cr4V2Al高速钢麻花钻断裂原因分析”中分析了麻花钻在热处理过程中发生了过热、过烧，导致基体内形成共晶莱氏体和大量网状碳化物，冷却时在表面形成较高的拉应力，当应力大于材料的断裂强度时产生沿晶裂纹，在随后的校正过程中，在外力作用下发生了断裂[4]。不锈钢是一类特殊性能的钢种，在工业生产及日常生活中得到了广泛应用。 钢的腐蚀主要是电化学腐蚀，包括一般腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀，后面三种腐蚀不允许发生。一般情况下不锈钢具有很好的耐蚀性是因为不锈钢中含有大量的合金元素铬，在钢表面形成一层致密稳定的钝化膜，但在加工或使用过程中仍然会发现有些不锈钢制品会出现锈蚀的现象。比如某公司生产的430不锈钢冷轧退火板用于洗衣机内筒的原材料，在加工成型的冲孔处发现部分锈蚀缺陷[5]。卫海瑞等通过金相组织观察、夹杂物成分分析、缺陷形貌观察以及成分分析等试验分析了锈蚀产生的原因是由于钢板冲孔处较大的变形使试样表面的钝化膜减薄或者破坏，工况环境中的氯离子穿透表面钝化膜而引发锈蚀。因此在生产过程中应避免试样长期处于潮湿介质中，可有效防止残留氯离子破坏表面钝化膜，显著降低锈蚀缺陷的发生。王琳等[6]探究了304不锈钢在淡化海水掺混水下的腐蚀行为，认为点腐蚀和由点腐蚀引起的均匀腐蚀仍是此环境下不锈钢腐蚀的主要类型，腐蚀产物主要有γ-FeOOH、α- FeOOH(针铁矿)、Fe3O4(磁铁矿)、NiO和Cr2O3。奥氏体不锈钢在一定的条件下容易发生晶间腐蚀，通过阅读文献“某220 kV变电站水管腐蚀开裂原因”可以进一步了解晶间腐蚀产生的原因及其危害[7]。该变电站水管材质为12Cr17Mn6Ni5N铬锰不锈钢，利用化学成分分析、显微组织检验、断口形貌分析、腐蚀产物形貌及能谱分析等试验方法进行试验分析发现，晶间腐蚀是造成水管腐蚀泄漏的主要原因，而介质中的氯离子进一步加快了管道的腐蚀速度。学生通过查阅文献，可以更好地掌握不锈钢产生腐蚀的原因及预防措施，加深对理论知识的理解和掌握。通过文献 “超超临界机组用HR3C奥氏体耐热钢研究进展”[8]、“钒微合金化钢的技术进展与应用”[9]了解当今科技前沿的传统材料的新应用、新材料、新理论、新技术等知识。同样地，我们也可以采用文献案例法帮助学生理解和掌握其他的知识点。

3 抓住主线，及时对知识点进行归纳总结

合金化原理是后续章节的理论基础，是该课程最重要的章节，要求学生要很好地理解和掌握。讲授这部分内容时可以采用思维导图列出该章节的主要内容，让学生一目了然。 让学生理解合金元素与铁、碳以及不同的合金元素之间的相互作用规律、理解合金元素对铁碳相图的影响规律，对这部分内容融会贯通。学习具体的钢种时，以合金化理论为基础，紧紧抓住一条主线：零部件的服役条件——性能要求——成分设计——强化工艺——组织结构——使用性能。如船舶用钢属于工程结构钢，先要了解船舶的服役条件——通常受大气和海水的浸蚀、还受到疲劳冲击。在这样的环境下工作，要求船舶用钢要有足够的强韧性、特别是低温韧度和较高的疲劳强度，同时还要求有良好的焊接性、成型工艺性及良好的耐腐蚀性。要达到这样的性能，需要从成分设计和强化工艺两个方面考虑。成分设计上，可以考虑低碳、加入适量的合金元素提高强度；强化工艺方面可以采用热轧控冷工艺。然后分析在所设计的成分和强化工艺条件下所获得的组织结构能否满足使用性能要求。如轴承钢在高负荷、高转速下工作，同时要求高灵敏度，因此要求轴承钢具有高而均匀的硬度和耐磨性、高接触疲劳强度、一定的韧性以及良好的尺寸稳定性和耐蚀性。要达到上述要求，则需要从冶金质量、化学成分和加工工艺三个方面考虑。冶金质量要求材质纯净和组织均匀；成分设计上采用高碳再加入适量的合金元素铬、硅、锰和钒等合金化；采用淬火以后低温回火进行热处理强化。又比如刃具钢受到弯曲、扭转、剪切、冲击、振动、摩擦等作用，要求具有高硬度、高耐磨性、一定的塑韧性。为了满足性能要求，一般采用高碳结合铬、硅、锰、钨和钒等合金元素复合合金化，热处理强化工艺采用淬火并低温回火。锅炉管道、紧固件、汽轮机转子、叶片、排气阀等在高温下工作，同时还承受较大的载荷，还与高温蒸汽、空气或燃气接触，表面发生高温氧化或气体腐蚀。因此要求良好的高温强度和塑性；足够高的高温化学稳定性，常采用铬、铝和硅等进行合金化。对每一个钢种的学习都围绕这条主线展开，抓住了主线，就能够把零散的知识点有机地结合起来，可以更好地理解和掌握所学的知识。

在教学过程中要善于引导学生对所学知识及时归纳总结。学习合金化原理时，可根据合金元素在钢中的存在形式进行分类归纳总结。合金元素可以以铁基固溶体形式存在，可以与碳或氮形成碳化物或氮化物，合金元素之间还可以形成金属间化合物，总结合金元素在每种存在形式下对铁碳合金性能的不同影响。钢中加入的合金元素种类很多，而且每种合金元素可能会在不同种类的钢中出现，它们在不同钢中的作用是不同的，需要综合分析，比较它们的性能和用途。如合金元素铬，可以在调质钢、耐热钢、不锈钢、轴承钢以及模具钢中出现，但是它们的作用却不同。对于其它常用的合金元素硅、锰、钨、钼、钒、镍等可以采用同样的方法归纳总结。又比如同种牌号的钢，采用不同的热处理工艺可以获得不同的组织，从而获得不同的力学性能。如40CrNiMo钢，淬火并高温回火后可获得优良的综合力学性能，可作为调质钢使用，而经过淬火并低温回火后可获得高强度，可作为超高强度结构钢使用。我们还可以按照服役条件和使用性能的要求去归纳总结，相同的服役条件和使用性能要求，可以选择哪些金属材料，怎样制定热处理工艺等。通过归纳总结，可以把零散的知识点串联起来，达到融会贯通的目的。

4 充分利用网络资源

金属材料的热处理是获得良好使用性能的重要保障，只有采用正确的热处理才能获得所需的组织和性能。而教材中钢材的热处理偏重于理论，内容较抽象，生产实例相对较少，学生理解有一定的难度。金属材料常用的热处理工艺“四火一化”，“四火”即退火、正火、淬火和回火；而“一化”指化学热处理。虽然学生能够从理论上理解“四火一化”的意义，但学习时仍然感到有点茫然，由于热处理的时间都比较长，学生没有条件去工厂实地参观学习，因此，我们可以充分利用网络资源，可以从网上下载各种热处理工艺的实际操作视频，让学生身临其境地熟悉各种热处理工艺，帮助学生加深理解。

由于课程的课时有限，而需要讲授的内容很多，不能在有限的时间内完成所有内容的教学。因此，除了传统的线下课堂授课模式之外，还可以采用线上线下结合模式来教学。将需要拓展的内容录制成教学视频放到砺儒云课堂，同时将一些优质的网络视频也放到砺儒云课堂，让学生在课后随时学习。同时，在砺儒云课堂中针对每个章节的重难点都设置了课后小测验，通过练习让学生对每个章节的主要内容能很好地理解和掌握。还可以在每次课的前几分钟针对上次课的主要内容作课前小测，既可以让学生集中精力也可以复习回顾之前的学习内容，提高学习效率。

5 结 语

金属材料学所讲授的所有金属材料都与工程应用息息相关，因此这门课程的教学应该立足于金属材料的实际应用，以培养学生解决实际问题的能力为目标。因此可以采用多种教学方法，授课内容不能仅仅局限于课本，要将理论知识与工程应用紧密联系起来，使学生能够正确认识和合理使用金属材料，并能够解决一些实际问题。