卓越工程师培养模式下的《工程材料》实验教学改革探讨

薛冰+殷凤仕+孙国栋+贾贺泽+徐振+刘显昌+孙兆海

摘要：本文阐述了在卓越工程师培养模式下的《工程材料》实验教学研究，对传统实验教学采用的教师灌输、学生单纯模仿的机械教学方式进行改革。优化后的实验内容把碳钢的淬火和回火、金相试样制备、金相组织分析、硬度测定、钢的淬透性分析、合金元素的作用等实验项目进行综合，形成钢的热处理综合性实验。实验内容充分综合了学生在课堂中所学知识，有效地提高了学生的实际操作能力和独立思维能力。

关键词：卓越工程师培养；实验教学；工程材料；热处理；力学性能；组织分析

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）09-0020-02

“卓越工程师教育培养计划”是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措，旨在培养一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才。高等工程教育迫切需要培养一大批能够适应和支撑产业发展的工程人才。《工程材料》知识面覆盖量大，涉及内容较多，但课时少，加大了学生的学习难度。传统的实验教学方法是开设以下三个独立的实验：（1）金相试样制备与碳钢平衡组织观察（2学时）；（2）钢的热处理操作及非平衡组织观察（4学时）；（3）钢的淬透性实验（2学时）。这种实验教学方法，学时多、效果差，学生不能把所学知识进行综合。本实验教学改革的目的是想在有限的实验学时条件下，有效地把钢的热处理、金相组织分析、性能测试以及合金元素对钢性能的影响等多个知识点进行综合，让学生把学过的理论知识和实践进行有机地结合，达到融会贯通和快速掌握所学过知识的目的。

一、设想及方案设计

（一）设想

（1）通过实验使学生巩固书本上的知识，把所学的知识进行综合思考，培养学生的实际操作能力、综合分析运用能力以及勇于开拓的创新能力。（2）通过实验使学生利用所学的知识，正确设计实验方案，正确使用实验设备和实验仪器，准确获得实验数据，正确记录数据、分析数据和处理数据，对实验数据进行综合分析，得出科学合理的结论。

（二）方案设计

本实验教学改革把原来实验项目中钢的淬火和回火、碳钢的组织观察、钢的淬透性等试验项目和金相试样制备、硬度测定等结合起来，使之成为一个综合性实验。把碳钢的热处理工艺、不同冷却介质和合金元素对钢的淬透性的影响等知识点进行综合，形成一个综合热处理工艺、金相组织分析、合金元素的作用等的研究性实验，通过对实验结果进行分析研究，使学生达到融会贯通和快速掌握所学知识的目的。

二、方案的实施

（一）综合性实验的名称

钢的热处理综合性实验。

（二）实验目的与要求

（1）分析淬火介质和回火温度对材料性能的影响。（2）分析合金元素对钢的淬透性的影响。（3）了解热处理工艺流程、熟悉热处理仪器的使用。（4）发现实验中的问题并运用所学知识分析问题。

（三）实验材料

45#钢 化学成分以重量百分比计为：C 0.42%～0.50%，Si 0.17%～0.37%，Mn 0.50%～0.80%，Cr≤0.25%，Ni≤0.30%，Cu≤0.25%。40Cr钢 化学成分以重量百分比计为：C 0.37%～0.45%，Si 0.17%～0.37%，Mn 0.50%～0.80%，Cr 0.80%～1.10%，S≤0.030 P≤0.030，Ni≤0.25，Cu≤0.030。

（四）实验过程

实验时每组8名学生，根据铁碳相图确定热处理淬火加热温度。表1列出了该组学生设计的热处理实验方案，每名学生负责两个试样的热处理操作和金相分析以及硬度测试，最后将硬度测试结果汇总于表1。

三、实施的效果

根据表1的实验结果，实验的学生可以得到如下的规律：

（1）45钢试样水冷时，表层硬度高，心部硬度低。这是由于45钢的淬透性不足（见图1a，箭头所指黑色点状物质为夹杂物，基体为马氏体组织），表层得到全部马氏体，而心部未能得到全部马氏体（见图1b，灰色区域为硬度较低的屈氏体组织，其他区域为马氏体组织）。（2）45钢试样淬火后，水冷试样的硬度高于油冷试样。这是由于油比水的冷却速度慢，淬火后得到较多体积分数的屈氏体（图1c，灰色区域为硬度较低的屈氏体组织，其他区域为马氏体组织）。（3）冷却介质是油时，40Cr钢试样淬火后的硬度明显高于45钢试样。这是因为两种钢的淬透性不同，40Cr钢中合金元素Cr的加入，使过冷奥氏体转变的C曲线右移，降低了临界冷却速度，从而提高了钢的淬透性。（4）水冷淬火后再回火，随回火温度的升高，硬度降低，但40Cr钢硬度降低的慢，说明40Cr钢的抗回火稳定性高。40Cr中合金元素Cr的加入，延缓了回火过程中的组织转变过程。其次，Cr的固溶强化作用也是40Cr钢回火稳定性升高的一个原因。

（a）860℃×20min水冷表层组织（b）860℃×20min水冷心部组织 （c）860℃×20min油冷表层组织

四、结束语

本次实验中，让学生自己根据所学的知识设计实验方案，并对实验结果进行分析，不但学会了金相试样制备、金相组织分析和材料性能的测试方法，并了解了基本的热处理工艺及合金元素对材料组织和性能的影响。通过对本实验的领会和掌握，可以对实际生产中的热处理工艺和检测方法有一个很好的了解，满足一个工程技术人员的要求。

通过我们对本次实验教学进行改进，充分调动和激发了学生对实验的积极性和主动性，增强了实验教学的研究性；让学生自己设计实验方案，大大提高了学生的实验操作技能，并培养了学生对实验结果的分析能力和总结能力，取得了满意的效果。

参考文献：

[1]薛冰，等.强化实践教学环节的措施及探索[J].科技信息，2007，（19）.

[2]贺礼智，等.开放式实验教学及案例分析[J].职业技术师范学院学报，2003，（02）.

[3]张建军，等.加强实践教学培养高素质农机化人才[J].中国农机化，2004，（6）.

[4]徐颖秦，等.协同创新卓越工程师培养模式的探索与实践[J].价值工程，2013，（06）.