用典型试验提高材料成形专业教学的质量

邓沛然　刘淑梅　吴文云　雍学超

摘要：一般的工科专业都会涉及到抽象的专业理论教学，如果没有直观的课内试验辅助，学生对这些专业教学的理解往往停留在机械记忆和抽象的逻辑分析上，难以形成真正的专业能力和知识。在材料成形专业的教学中，我们通过细化晶粒的变质凝固试验，让学生在自己动手与观察的基础上获得了第一手的感性认识，提高了学生对液态成形和塑形性能控制等重要专业知识的理解与掌握。这些处于众多重要知识结合区的课内试验在提高教学效果上有着事半功倍的效果。

关键词：典型试验；细化晶粒；理解；材料成形；教学

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）48-0205-03

目前，大学一般工科专业的课程设置非常多，学生大量时间用于课堂学习。理论学习时间过多，对于学生吸收知识是不利的，而课内试验的开展有利于学生获得感性认识，从而巩固所学的理论知识。由于课程较多，以及实验条件的限制等原因，充分的试验安排在目前条件下也是不现实的。课内试验的开展，应优先选择那些能够凝聚重要知识要点的试验项目，通过较为直观的实验将那些对学生来说比较抽象的理论知识进行串联，从而做到在有限的课内实验中，涵盖较广的知识面，以发挥较好的教学效果。

一、材料加工课内试验的选择

材料的制备机理与材料的性能是材料加工专业重要的基础内容。其中的理论分析比较抽象，让毫无专业实践的学生难以接受。在一般金属材料的制备中，一般希望获得细化的等轴晶、细晶材料的制备是材料加工领域的重要内容。这一加工领域又与材料液态成形的成分过冷、异质形核等重要概念密切联系。成分过冷在液态金属凝固中对材料的组织形成和溶质原子的分布起着重要的作用，但成分过冷理论对组织形成的作用机制比较抽象，学生一般无法透彻理解。对于成分过冷是如何影响组织形成的，学生就更难以知晓其中的机理。材料的塑性与材料成分、组织和晶粒的尺寸密切相关，晶粒越细小，材料的塑形一般越好；在材料的性能测试中，涉及到的性能指标有延伸率、断面收缩率、冲击韧性，相联系的知识点有应力、应变曲线和真实应力、应变曲线等内容。组织的细化，则成为一个将液态成形和塑形成形两个板块的内容联系在一起的纽带。在凝固过程中，对材料进行变质处理，提高材料在凝固过程的形核率，从而实现材料组织的细化。变质处理，已经成为目前液态成形和冶金铸造行业最通用的材料加工手段。将材料的液态成形过程中的变质处理引入到学生的课内试验，具有知识涵盖面广、重点突出的特点。变质处理的试样进行材料组织与力学性能的比较，可以直观而全面地将上述内容展示给学生，这样的课内试验具有很好的综合性。

二、试验的进行

试验选择Cr12钢的晶粒变质细化为实验对象，Cr12冷作模具钢属于高碳高铬类莱氏体钢，这类钢因含有较高的C和大量的Cr，在铸造过程，在晶界上易出现粗大网状共晶碳化物以及鱼骨状碳化物，使钢的强度和韧性明显降低，严重缩短了模具使用寿命。在铸造过程中，加入钾钠活性变质剂，由于钾、钠的活性很高，使得在凝固过程中，更易于形成新的形核衬底，起到净化钢液、细化晶粒、强化基体、改变夹杂物形态的作用，从而达到提高强韧性和耐磨性、改善钢的综合力学性能的目的。在课内实验之前，教师首先要求学生温习材料成分和组织对Cr12钢性能的影响的知识点。试验在真空中频感应熔炼炉内进行，由学生自己操作。在感应炉中，分5组熔炼低碳A3钢和按标称化学成分加入的铬铁等，先将设备抽真空到0.1Pa，然后向真空炉内充入惰性气体氩气至0.06MPa，熔炼时先预热，然后逐步提高功率，在材料完全熔化后，降低功率保温，控制好熔体的温度，既要保证液态熔体的流动性，同时熔体温度超过熔点的过热度又不能过大。在熔炼过程即将浇铸时，控制好炉温，分别加入质量分数0%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%的钾钠变质剂，再浇入直径为20mm、高度为200mm的型腔内，得5组试样。在实验过程，教师注意向学生指出，真空熔炼时向炉内灌入氩气的必要性：防止液相挥发；加热时逐步升温的必要性：防止升温时坩埚炉衬的温差应力过大，提高坩埚的使用寿命；控制熔体温度的必要性：降低对异质的熔化，提高形核率。教师将学生分为5组，分别对每组试样进行退火处理，降低硬度和内应力；再进行机械加工，分别加工出拉伸试样、冲击试样和磨损试样。教师对每一组的试样分别进行观察金相组织、拉伸试验、冲击试验和磨损试验。

三、实验结果与理论预期

由学生取样，对试样进行研磨、抛光，再拍摄金相显微照片。不同组的铸态金相图显示，未加变质剂的试样，晶粒相对粗大，且在试样边缘较先凝固区域柱晶组织较明显；加入了钾钠活性变质剂之后，试样的晶粒明显变细，而且随着钾钠变质剂含量的增加，晶粒随之变小，但当钾钠变质剂含量为0.08%时，出现更为明显的共晶碳化物，沿着晶界分布。通过对比，表明加入的钾钠变质剂的含量在0.06%左右时能起到良好的细化晶粒作用，含量过高则会在境界上重新生成碳化物，并连成网状，造成组织上的缺陷。对试样进行拉伸试验。我们可以发现，钾钠变质剂含量由0.02%增加到0.04%，材料的抗拉强度明显增强，钾钠变质剂含量由0.04%增加到0.06%时，抗拉强度稍微增强，但不明显。钾钠变质剂含量由0.06%增加到0.08%时，铸造后，残余应力大，使试样表面出现裂纹，抗拉强度反而急剧的下降。试验结果表明，钾钠变质剂能一定程度提高材料的抗拉强度，其含量在0.04%～0.06%时最为合适，能明显地增强Cr12的抗拉强度。对试样进行磨损试验。未加钾钠变质剂的试样在磨损时损失的质量较大，加入钾钠变质剂后，试样损失的质量明显减少。试验结果表明，加入钾钠变质剂能增强Cr12钢的耐磨性。但随含量的改变，耐磨性改变不是很明显。实验结果表明，在Cr12钢的铸造过程中加入0.04%～0.06的钾钠变质剂，能有效地改善Cr12钢的铸造工艺。铸造过程中，未加钾钠变质剂的Cr12钢组织粗大，晶界上存在碳化物，力学性能受到一定的影响。加入一定的钾钠变质剂，随着钾钠变质剂含量的增加，晶界上的碳化物明显减少，晶粒变小，试样的抗拉强度、硬度、耐磨损性能都有所增强。所加入钾钠变质剂含量在0.04%～0.06%时，效果特别明显。当加入的钾钠变质剂含量增加至0。08%时，晶界上重新出现了大量的碳化物，并且铸造后所存在的组织应力大，试样表面出现裂纹，造成试样的抗拉强度急剧下降。凝固前对材料的变质处理的实验结果非常清晰明确地反映了异质形核的基本机理，将不可见的物质凝固相变过程较为直观地展示给学生。这是一个凝聚了众多重要专业知识和基本原理的课内实验，且实验的形式简单、重复性好、结果直观，易于被学生理解。endprint

四、实验验证与问题解答

针对实验的金相图片和性能检测结果。我们设置如下问题：①为何晶粒细化能导致材料硬度和强度提高？②磨损性能的提高与材料的哪些特性有关？③在材料特性的工艺中，变质剂起到何种作用？是否加入越多越好？请根据实验结果说明原因。④为何未加变质剂的试样中柱晶组织相对较发达，而在试样中部最后凝固区域等轴晶才是主要组织？⑤在材料的强度测量时，名义应力应变曲线与真实应力应变曲线有何区别？材料的塑性指标还有哪些？这些问题的解答都较为抽象。但学生通过对金相图片与测试数据的直观观察，对抽象的理论解释就非常容易接受。如通过对粗晶和细晶的金相图观察，细晶图中晶界显得更为明显，这显示了常温时由于晶粒细化导致的晶界强化机制使材料硬度和强度都得到提高；而图片上显示由于晶粒细化，共晶碳化物也相应有所变细，晶粒细化使基体得到强化，而共晶碳化物的细化使其在与外界磨削的过程中不易剥落，因而材料的磨损性能得到提高。变质剂的根本作用是起着异质形核作用，但如果异质过多，未参与异质形核的变质剂，由于其熔点较低，在最后凝固的过程中往往析出在晶界，并以共晶碳化物的形态出现，使共晶碳化物的体积增大，因而过多的变质剂是不利于材料性能的。未加变质剂的试样在其中部等轴晶也较发达，这是由于成分过冷的原因，但由于液相中缺乏有效的形核衬底，柱状晶易沿热流方向生长，在有各向同性力学性能要求的材料制备中，这种柱晶是不利于材料性能的。在课程教学中，学生对名义应力应变曲线与真实应力应变曲线的区别只能通过机械地记忆书面解释；在试验中通过观察试样被拉伸断裂及试样局部区域横截面积的缩小，这两个概念的区别一目了然。真实应力应变曲线是拉伸时不断变细的单位横截面的实际受力状况，而名义应力应变曲线是基于截面不变的试样。通过力学性能的比较，学生对屈服强度、抗拉强度、冲击韧性和硬度等概念的理解将由机械记忆转为理解记忆，如观察Cr12钢应力应变曲线时，当应力曲线升至一个峰值再陡然下降对应的应力峰值就是抗拉强度，在这曲线陡变的瞬间，可以看到拉伸试验机上的试样在一声清脆的响声中断裂，由此学生自然能理解抗拉强度是材料不被破坏所能承受的最大应力值，所对应的外部载荷就是其极限承载力。这种基于理解的记忆将伴随学生的一生，而不会考完就忘。直观实验的比较，使学生对专业材料的相关理论认识摆脱机械记忆的方式，从而提升其学习效果。对于部分有钻研精神的学生，这一实验使其对部分专业的理解能达到较高的专业水准。

五、基于实验的课堂理论再提高

细化晶粒在材料成形课程中，被直接描述的内容并不多，但这方面的内容与方向却是一个持续性不断发展的材料加工专业核心领域。材料加工液态成形基本原理的许多内容都是与此相关：界面张力与润湿，均质形核与异质形核及其相关的热力学与动力学，异质形核率的影响因素，成分过冷及其对晶体生长形态的影响，铸件的宏观组织分布与等轴晶的形成等。但是，这些内容在教科书上基本都是陈列在与液态成形的相关章节里，即便是优秀的学生对这些基本理论的理解都是停留在孤立的逻辑分析中，对在实践中这些基本理论与细化晶粒的直接关系则茫然无知。这种认识上的缺失必然导致对理论的片面学习，机械记忆则成为维持片面学习的基本手段，而机械记忆在学习和工作的过程中最难以持久。我们在教学中经常发现这样的情况。比如，研究生面试，在笔试中有学生完整地答出了某概念（一般考前圈定了复习范围），过几天面试，问该同学同样问题，有时竟回答不出，而一般考研能过关的学生在大学中多属优秀学生。靠纯填鸭式进行的专业教学，既枯燥又难以提高教学中专业理论的授课深度。在进行课内实验过程中，学生们亲自按比例称量变质剂，熔炼时观察到白亮的钢水翻滚（这种场景是具有显著的刺激性而给学生带来持久的记忆），凝固后亲自打磨试样并观察到不同变质剂含量的试样在组织分布与晶粒尺寸上的差异，然后拉伸实验机旁听到自己浇注出来的试样发出刺耳清脆的断裂声音等。有了这种直观的试验认识和感知，在课堂上进一步的理论深入才有较好的效果。

如变质剂能使凝固过程中的金属材料细化，但是否任何异质加入都会使材料的晶粒明显细化呢？这点从表面张力与润湿的关系可以很好地得到解释。只有熔体液相与异质固相的界面张力相对小的形核剂才可能在加入液相后与液相较好的结合，起到作为异质衬底的作用，从而提高形核率细化晶粒。成分过冷与变质剂又有何关系呢？由于成分过冷，导致凝固时液固界面的溶质富集，使液固界面向液相内部延伸的枝晶根部的熔点降低，在液相对流的作用下会导致枝晶的脱落、再熔断和熔体内部晶粒增值，这些增值的晶粒将成为新的形核晶粒，从而增加凝固过程的形核率使晶粒细化。变质剂的作用无非是通过两个渠道实现形核率的提高：①自身或通过化合形成与液相有良好润湿关系的异质衬底；②提高材料液固界面的成分过冷以提高材料形核率。由此，教师在教学中要进一步阐明，成分过冷不仅影响形核率，而且还将影响晶体的生长形态从而影响材料性能等知识。这些理论的提高在大学金属材料加工专业的教学中是必须的，但只有学生对细晶的形成有着感性认识，通过感性与理论理解的结合才能实现这一提高。

六、结论

基础专业理论课程，应辅以典型的课内试验支持来提升其教学效果。在金属材料成形专业中，用变质处理的方法细化晶粒的试验易于进行且具有很好的直观性，这一试验涵盖了广泛的专业基础理论内容，且将实际应用和重要的抽象的专业理论紧密地联系起来。这样的试验可有效地提高学生对材料成形相关内容的理解，从而为相关专业基础理论的教学深入打下良好基础。endprint