對金屬材料與熱處理教學(xué)的思考論文
【摘 要】本文將從《金屬材料與熱處理》課與技工學(xué)校軋鋼專業(yè)課之間的聯(lián)系，闡述對中國勞動社會保障部出版的技工學(xué)校第四版《金屬材料與熱處理》教材進(jìn)行的幾點(diǎn)教學(xué)處理建議。
【關(guān)鍵詞】教學(xué)處理 理論基礎(chǔ)軋鋼生產(chǎn)
【Abstract】According to the relation between“Metal material and heat treatment”class and Steel rolling professional course in the technical school, this paper will give several suggestions at teaching disposal about teaching material“Metal material and heat treatment”（ed.4） published by Ministry of Labor and Social Security.PRC for the technical school
【Key word】Teaching treatment Theoretical foundation The steel rolling produces
一、前 言
眾所周知，《金屬材料與熱處理》這門課是工科專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。針對每個專業(yè)自身的特點(diǎn)，筆者對這門課采取區(qū)別處理教材內(nèi)容的教學(xué)方法，盡量做到突出重點(diǎn)，因材施教，減少學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課時對金屬學(xué)原理的模糊理解，使學(xué)生真正了解本專業(yè)在生產(chǎn)工藝制定上的依據(jù)所在，以便更好地掌握本專業(yè)的工藝技術(shù)要求。
俗話說：“萬丈高樓平地起”，基礎(chǔ)沒打好，何以建高樓。同樣的道理，沒有把專業(yè)基礎(chǔ)課講深入、學(xué)透徹，怎么能更好地理解后面的專業(yè)課知識，因此專業(yè)基礎(chǔ)課的講授一定要精細(xì)而有針對性。本文將從《金屬材料與熱處理》課與技工學(xué)校軋鋼專業(yè)課之間的聯(lián)系，闡述對中國勞動社會保障部出版的技工學(xué)校第四版《金屬材料與熱處理》教材（以下簡稱“教材”）進(jìn)行的幾點(diǎn)教學(xué)處理建議，僅供參考。
二、“金屬的塑性變形與再結(jié)晶”一章的教學(xué)處理
1．回復(fù)和再結(jié)晶
在《冷軋生產(chǎn)工藝》教學(xué)中，我們將會提到“在冷軋的過程中需要進(jìn)行中間軟化退火”，學(xué)生常常對此工藝過程很不解。究其原因，就是缺乏冷塑性變形對金屬塑性與組織影響的深刻理解。
在軋制工藝中常常提及再結(jié)晶溫度和再結(jié)晶退火。本教材“再結(jié)晶”這部分內(nèi)容僅從概念的角度介紹，較抽象。學(xué)生對再結(jié)晶定義的理解易出現(xiàn)困難，對再結(jié)晶溫度的概念更是弄不清楚。建議這部分內(nèi)容盡可能多的采用有趣、直觀、多樣的方式進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，比如我們可以舉例班內(nèi)每個同學(xué)相當(dāng)于原子，整個班集體就好比我們所講述過的晶格，“空位”相當(dāng)于一個或幾個同學(xué)缺勤，“間隙原子”相當(dāng)于班內(nèi)的某位同學(xué)未按排列整齊的座位去坐，而胡亂地坐在了某個位置，“錯位”相當(dāng)于幾位同學(xué)位置錯排..等等，多列舉生活、生產(chǎn)中的實(shí)例，以學(xué)生為中心，活躍課堂氣氛，將抽象、深奧的知識用生動形象的語言和舉例，深入淺出地講授給學(xué)生，使學(xué)生能夠相對容易地理解和吸收，且能舉一反三，應(yīng)用到實(shí)際中，使學(xué)生能更多地感知知識、更牢地掌握知識，以達(dá)到“講的透、學(xué)的活、記得住、用得上”的教學(xué)目標(biāo)。
同時在軋鋼班教學(xué)中，要讓學(xué)生了解到再結(jié)晶溫度不僅與金屬的變形程度有關(guān)，還與金屬的保溫時間、金屬中存在的雜質(zhì)以及其原始晶粒大小都有關(guān)系。只有把影響再結(jié)晶溫度的因素闡述清楚了，學(xué)生對再結(jié)晶溫度才會有一個較為清晰的認(rèn)識。這為熱軋生產(chǎn)中的冷卻工藝和冷軋生產(chǎn)中的再結(jié)晶退火工藝的講解掃除了理論認(rèn)知的障礙。
2．再結(jié)晶晶粒的大小
再結(jié)晶晶粒的大小是金屬在壓力加工生產(chǎn)中的重要問題之一，它將直接影響金屬的使用性能、工藝性能以及表面質(zhì)量。
教材只給出“再結(jié)晶晶粒長大應(yīng)當(dāng)注意避免”這一結(jié)論，對再結(jié)晶晶粒大小在軋制加工中的意義及相關(guān)影響因素缺乏分析，這往往給后續(xù)軋鋼工藝中對加熱溫度、最大變形量的選擇帶來不必要的疑惑。
另外，還有必要通過實(shí)例說明，讓學(xué)生了解影響再結(jié)晶晶粒大小與合金成分、原始晶粒大小、加熱溫度及時間、變形程度、加熱速度都有密切關(guān)系。這為生產(chǎn)工藝課中講解：“加熱制度要遵循加熱時間盡量短，加熱速度盡量快的原則”提供了理論依據(jù)，學(xué)生在學(xué)專業(yè)課時才會知其所以然，從而更能激發(fā)學(xué)生探索知識奧秘的興趣。
再比如“當(dāng)加熱溫度一定時變形程度對再結(jié)晶晶粒的大小有一定影響”，這在冷軋生產(chǎn)中有重要的指導(dǎo)意義。通過對再結(jié)晶晶粒大小與變形程度的關(guān)系分析，讓學(xué)生了解到軋件要在多大的變形程度下才能使金屬產(chǎn)生再結(jié)晶，在什么條件下退火會得到極粗的晶粒，粗晶粒會使金屬的力學(xué)性能降低，所以在實(shí)際冷軋生產(chǎn)中要避開臨界變形程度，采取合適的變形量，以免造成再結(jié)晶后的粗晶粒。這樣的講解使我們的知識點(diǎn)有了連貫性，避免出現(xiàn)知識脫節(jié)現(xiàn)象。
3．金屬組織的變化
�。�1）晶粒被拉長成纖維狀的性能
冷軋后晶粒組織將發(fā)生變化，變化后性能如何？這就要求我們在講解該部分內(nèi)容時讓學(xué)生了解到由于纖維組織的存在，變形金屬的橫向（垂直于延伸方向）機(jī)械性能降低，而呈現(xiàn)各向異性。
（2）亞結(jié)構(gòu)細(xì)化
可通過較為形象的模型教學(xué)讓學(xué)生了解到什么是亞結(jié)構(gòu)，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化增加滑移阻力，引出形變強(qiáng)化產(chǎn)生的原因。
�。�3）變形織構(gòu)
這個知識點(diǎn)在教材上沒有提到，筆者認(rèn)為在給軋鋼專業(yè)的學(xué)生講授金屬的塑性變形這章時應(yīng)補(bǔ)充這一內(nèi)容。學(xué)生只有了解到這一知識點(diǎn)后，才能理解我們在冷軋生產(chǎn)中為什么要采用大軋制力軋制，需要潤滑軋制等等軋制工藝的原因。
在教學(xué)中讓學(xué)生了解到金屬與合金經(jīng)過冷變形后，由于出現(xiàn)變形織構(gòu)而使金屬呈現(xiàn)各向異性。在實(shí)際冷軋生產(chǎn)中，因為各向異性使金屬在不同的方向顯示著不同的力學(xué)性能，因而導(dǎo)致加工困難。通過這樣的解釋，學(xué)生對冷軋生產(chǎn)中的一些工藝要求就理解了。
（4）冷塑性變形產(chǎn)生殘余應(yīng)力
由于金屬材料各部分發(fā)生不均勻變形而產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在軋制生產(chǎn)中常需要通過一些熱處理方法消除。有些熱處理方法可全部消除殘余應(yīng)力，但有些熱處理方法只能使一部分殘余應(yīng)力消除。學(xué)生會疑惑：“這是為什么？”這就需要通過給學(xué)生分析殘留在金屬材料內(nèi)的應(yīng)力的種類和特征，從而得到消除各類殘余應(yīng)力的方法也是不同的結(jié)論。在講軋制工藝的精整熱處理工序時，學(xué)生就懂得如何選擇合適的`熱處理方法，避免了學(xué)生對熱處理方法的混淆與不理解。這個知識點(diǎn)也屬于在軋鋼班教學(xué)中需要補(bǔ)充的內(nèi)容之一。
三、“鐵碳相圖及熱處理原理”一章的教學(xué)處理
在熱軋生產(chǎn)中，制定加熱、軋制、精整的溫度制度要用到較多的金屬學(xué)及熱處理的知識。
1．鐵碳相圖
鐵碳相圖是確定碳素鋼軋制和冷卻工藝的參考依據(jù)。在講坯料的加熱溫度范圍時，我們可能會提到由于各種鋼的成分和組織不同，所以其加熱溫度范圍也不同，同時也要注意到，我們生產(chǎn)中所用的坯料不僅僅是碳素鋼，還有合金鋼。教材中僅就一般的鐵碳合金做了分析，但當(dāng)我們對一些合金鋼進(jìn)行加熱時，出現(xiàn)了溫度范圍或擴(kuò)大或縮小的情況，學(xué)生由此產(chǎn)生疑惑。因此，對軋鋼專業(yè)學(xué)生講授該章節(jié)時，筆者認(rèn)為根據(jù)鋼在加熱過程中的組織變化，不僅要重點(diǎn)分析碳鋼最合適的溫度范圍區(qū)域，細(xì)化到亞共析鋼、過共析鋼的加熱溫度范圍，而且還要分析合金鋼的加熱溫度范圍。因為合金元素加入鋼中有的形成了合金碳化物（如 VC、 WC、MoC等）提高了鋼的熔點(diǎn)，有的擴(kuò)大奧氏體區(qū)，提高固相線；有的縮小奧氏體區(qū)，使固溶體的熔點(diǎn)改變。只有通過對不同鋼種的加熱溫度范圍的分析才能真正了解碳素鋼和合金鋼的加熱溫度范圍。
2．鋼的熱處理原理
�。�1）鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變
在熱軋生產(chǎn)中要求嚴(yán)格控制開軋溫度、卷取溫度、冷卻速度，才可能得到晶粒大小、形狀均勻的產(chǎn)品，這就要求學(xué)生了解奧氏體晶粒度控制的方法。教材中闡述的是如何使鋼奧氏體化，在給軋鋼專業(yè)學(xué)生講課時筆者補(bǔ)充了如何控制奧氏體晶粒度的方法，這對學(xué)生理解掌握軋鋼生產(chǎn)工藝是有一定幫助的。
（2）鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變
軋鋼生產(chǎn)中往往要根據(jù)產(chǎn)品使用性能的要求來制定生產(chǎn)工藝，以獲得用戶滿意的組織，這就要求生產(chǎn)者了解具有不同強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的不同組織狀態(tài)。教材中講述了奧氏體、鐵素體、滲碳體和珠光體的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它們都是在平衡狀態(tài)下得到的組織，我們把它們稱為平衡組織。此外，在非平衡狀態(tài)下（如連續(xù)冷卻條件下）還會出現(xiàn)一些非平衡組織，如貝氏體、馬氏體，教材中介紹得較為簡略，筆者認(rèn)為針對軋鋼專業(yè)的學(xué)生，這部分內(nèi)容可做更為深入的了解，讓學(xué)生熟悉掌握各種組織的形態(tài)及力學(xué)性能。同時，讓學(xué)生了解到由于加入不同的合金元素可以改變合金鋼的相變溫度及范圍，成分組織不同，其軋制工藝特點(diǎn)不同，對某些缺陷的傾向性也不同，但總有某些鋼種在加熱、冷卻以及壓力加工過程中，其工藝特征和對缺陷的傾向性有相同的規(guī)律性，所以如果按鋼在加熱或冷卻時是否有組織轉(zhuǎn)變和在室溫下鋼的主要金相組織進(jìn)行分類，了解這些鋼的特點(diǎn)及在軋制生產(chǎn)中易出現(xiàn)的缺陷，找到規(guī)律就可制定出更為合理的軋制工藝過程。
四、結(jié)束語
教材中“金屬的塑性變形與再結(jié)晶”和“鐵碳相圖及熱處理原理”這兩章是與軋鋼工藝聯(lián)系非常密切的內(nèi)容，通過教師在授課過程中對這兩個章節(jié)內(nèi)容的擴(kuò)展與深入分析，使軋鋼專業(yè)學(xué)生所學(xué)的金屬學(xué)知識更有針對性，也使學(xué)生在以后的專業(yè)課學(xué)習(xí)中對工藝的理解更為深入與透徹。
以上是筆者在幾年的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的教學(xué)實(shí)踐中產(chǎn)生的一些思考，并對其提出幾點(diǎn)建議，僅供商榷。
參考文獻(xiàn)
1中國勞動社會保障部 .金屬材料與熱處理， 2001
2 型鋼生產(chǎn)工藝 .冶金工業(yè)出版社， 2002
3 板帶鋼生產(chǎn) .兵器工業(yè)部出版社， 2003
4 高速線材生產(chǎn) .兵器工業(yè)部出版社， 2003
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