浅谈《金属材料与热处理》课程疑难点的举例教学
内容摘要：在《金属材料与热处理》教学中出现一些疑难问题时，用一些较恰当的例子，帮助学生对这些问题的理解和掌握，进而提高课堂教学的效果。
关键词：金属材料与热处理 举例 教学效果
《金属材料与热处理》是一门专业性较强、理论抽象概念较多的专业基础课。在教学内容中虽涉及到了一些动手操作的实验，但由于当前一些条件的限制，大多数实验学生不能亲自动手去做，故而学生学习起来感到枯燥乏味，加之有些概念、现象比较抽象，难于理解，教学难度相对比较大。学生们对学习本课程的兴趣不高，特别是近几年，由于某些原因，职业化学校学生的生源基础比较低，更有许多学生来自农村，对于机械行业乃至金属材料与热处理等领域缺乏基本的感性认知。如何在教学过程中引发学生的学习兴趣、充分调动起学生对本课程的学习积极性，是我们作为教师的首选任务。笔者在多年的教学实践中，发现把那些抽象、又难于理解的内容，通过形象、恰当的举例加以表述，即能活跃课堂气氛，又能激发起学生的学习兴趣和热情，加深对某些疑难问题的理解，从而提高课堂教学的效果。下面就笔者在教学过程中，对一些疑难问题相应举例的教学，分别做一阐述：
疲劳现象——
许多机械零件都是在循环载荷的作用下工作的，例如曲轴、齿轮、弹簧、各种轴承等等。工作过程中，上述机械零件常常在它们的工作应力还低于制作材料的屈服点或屈服强度的情况下发生断裂，这种现象称为疲劳现象。疲劳断裂与静载荷作用下的断裂不同，不管是韧性材料还是脆性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先无明显的塑性变形作为征兆，故而具有很大的危险性。为什么会出现此现象，学生普遍表示不理解。为什么呢？因为在我们前面讲过的拉伸曲线内容时，通过对拉伸曲线的分析，学生已经知道金属材料断裂前的最大应力是抗拉强度，而屈服点或屈服强度的应力值低于抗拉强度。应当讲，在抗拉强度以下工作的零件是安全的，不会破坏，可为什么这些零件在低于屈服点或屈服强度的情况下发生断裂，学生困惑多多。为此，在授课过程中举一例：在第二次世界大战中，有这样一个战例，当时法西斯德国派出轰炸机频频轰炸英国本土。英国皇家空军驾驶战机空中拦截，战况惨烈，突然，在不长的一段时间内，英国战机相继坠落，机毁人亡。英军方对坠落飞机介入调查，最初的结论认为，德国是否发明了什么新式武器，因为在坠落飞机的残骸上，无任何的弹痕，从而引起一片恐慌。但随着调查的是深入，最终正确的结论是：这些坠落的战机无一例外的是由于疲劳现象的发生而坠毁的。也就是说，飞机发动机内的零件出现了疲劳断裂。究其原因做进一步的分析，机械零件之所以产生疲劳破坏，主要在由于制造这些机械零件的材料表面或内部有缺陷，如：夹杂、划痕、尖角、软点、显微裂纹等等。这些地方的局部应力大于屈服点，在循环载荷的反复作用下，产生疲劳裂纹，并随应力循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩散，使零件的有效承载面积不断减少，最后达到某一临界尺寸时，而突然断裂。通过此例，学生们一下子就明白了，而且专神贯注、饶有兴致地掌握了这一教学上的疑难点。
金属的同素异构现象——
在常压下，一些固态金属在不同的温度范围里，具有不同的晶格。例如，钛在882°C以下具有密排六方晶格，而在882°C以上直至熔化以前，它却以体心立方晶格的形式存在，其他金属，像铁、钴、锰、锡、锆等，它们都具有和这相类似的性质。金属在固态下，在不同温度范围里，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为金属的同素异构转变。此课题的提出，使得学生在理解上出现了问题，即固态下的某些金属怎么会出现此现象呢？于此，在讲清这个论点前，我先向学生提出了这样一个问题：固态下的金属都是“热胀冷缩”吗？有的学生答“是”，有的学生说“不是”。我对同学说：咱们暂且不下任何结论，先做一个简单的举例。首先取一根直径为2毫米左右，长约1~2米的铁丝，两端固定在支架上，通以电流，使其缓慢加热，随着电流的增加，我们发现，铁丝受热膨胀而逐渐下垂，当加热到铁丝呈橙色（约910°C以上）时，铁丝突然发生回升现象，表明此时铁丝产生了收缩。相反，铁丝由高温（约1000°C左右）逐渐冷却时，达某一温度会有冷却时的伸长现象。为什么铁丝受热会有收缩现象，而遇冷又有伸长现象呢？显然这与铁丝内部发生某种变化有关。此例的举出，使学生既明白了固态下的一些金属，并不都是“无条件”的热胀冷缩，同时也知道了金属同素异构现象发生的原因，就是金属在某种条件下晶格之间的转变。
晶格畸变现象——
在前面课程的讲解中，我们将金属原子的规则排列抽象化，引出了晶胞晶格的概念。当金属原子那样排列时，内部原子的排列是非常整齐的，一点儿缺陷都没有。但是，像这样理想的晶体，在自然界中几乎是不存在的。在实际使用的金属材料中，由于加进了其它种类的外来原子以及材料在冶炼后的凝固过程中受到各种因素的影响，使本来该有规律的原子堆积方式受到干扰，不象理想晶体那样规则。晶体中出现的各种不规则的原子堆积现象成为晶体缺陷。即实际晶体中原子排列的不完整性。常见的晶体缺陷有以下几种，即：空位和间隙原子、置代原子、位错、晶界和亚晶界等。正是由于晶体中存在上述的结构缺陷，因此会造成晶格发生畸变，引起塑性变形抗力的增大，从而使金属的强度提高。当讲授这些知识点时，学生普遍觉得上述种种的晶体缺陷，难与金属强度的提高联系起来。于是，我在讲解中举例如下：班内每个同学相当于原子，整个班集体就好比我们所讲述过的晶格，“空位”相当于一个或几个同学缺勤，“间隙原子”相当于班内的某位同学未按排列整齐的座位去坐，而胡乱地坐在了某个位置，“错位”相当于几位同学位置错排……等等，这样一来，这个班集体还能是一个平衡、稳定的集体吗？是不是这个班集体出现了缺陷？同学们一致回答“是”，接下来的教学，我请两个学生到黑板前，让他们分别画出一个是理想状态下的体心立方晶格，一个是有“学生缺勤、乱坐座位”的体心立方晶格。二位同学的表述完全准确，尤其是第二位同学画出的有缺陷的晶格七扭八歪。由此，我告诉同学们，这就是晶格畸变引发的结果。再有晶界、亚晶界的存在，也会造成晶格畸变。这是由于实际金属为多晶体，是由大量外形不规则的小晶体即晶粒组成。晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。这些晶粒之间由于结晶时的位向不同，晶界处的原子排列是不规则的，即使在一颗晶粒内部，其晶格位向也并不像理想晶格那样完全一致，而是分隔成许多尺寸很小、位向差也很小的小晶块，这些小晶块即为亚晶粒，其界面为亚晶界。晶界也好，亚晶界也好，其原子排列紊乱，具有抵抗塑性变形的能力，即，也能使金属的强度提高。综上所述，金属材料强度的提高，是与金属晶体的实际缺陷。即“晶格畸变”有着直接关系的。讲到这里，同学们表示，能够理解这一论点了。
过冷现象——
纯金属都有一个固定的结晶温度（或称凝固点）。所以，纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下进行的。这是由于金属是晶体，其内部原子是按一定规律排列的，金属结晶成晶体的温度和冷却速度有着非常密切的关系，冷却速度决定结晶温度。一般情况下，冷却速度越快，结晶温度越低。我们把金属在缓慢冷却时的结晶温度称为理论结晶温度。而在实际生产中，液态金属的冷却速度不可能非常缓慢，总是在一定的冷却介质中以一定的速度进行冷却。如：空气、油、水中冷却。因此，实际发生结晶的恒温温度总要比理论结晶温度低，我们把这种金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为“过冷”现象。学生往往不明白，为什么冷却速度快了，金属的结晶温度就低了呢？我给同学们举了一个这样的例子：这就像体育比赛短跑项目一样，当你使用全身的力量跑向终点线时，你能否立即就站立住？不能，而是会超过终点线一段才能停下来。而你如果缓慢的步行到终点线时，你会很自然地立即停下来。经过举此例子，学生马上明白了，而且记忆很牢。
总之，在《金属材料与热处理》的教学中，针对课程中的某些疑难的内容、概念，应尽可能的多采用有趣、直观、多样的方式进行启发式教学；多列举生活、生产中的实例，以学生为中心，活跃课堂气氛，将抽象、深奥的知识，用生动形象的语言和举例，深入浅出地讲授给学生，使学生能够相对容易地理解和吸收，且能举一反三，应用到实际中去，同时激发学生学习的积极性和主动性，使学生能更多地感知知识、更牢地掌握知识，以达到“讲的透、学的活、记得住、用得上”之教学目标。
参考文献：
1、罗会昌 《金属工艺学》 人民教育出版社 1980.
2、李炜新 《金属材料与热处理》 机械工业出版社 2005.
3、戈晓岚、杨兴华 《金属材料与热处理》化学工业出版社 2004.
