机械工程材料课程教学中的哲学思想与应用

孙小刚 张世免

摘 要：为增强学习兴趣和学习效果，促进思维发展，将机械工程材料课程内容和其中所包含的哲学思想相结合，分别从物质观、对立统一、量变质变、普遍性和特殊性、主次矛盾、实践观等方面分析了课程内容与哲学观点的渗透与融合，从而促使学生课程内容的掌握，科学思维方法的培养。

关键词：机械工程材料；哲學思想；教学改革；教学实践

《机械工程材料》是机械类和近机类大学生的一门很重要的专业基础课，也是是一门理论性和实践性都很强的课程。该课程学习效果的好坏，直接影响到后续学习的专业课程的理论学习、课程设计以及毕业论文（设计）等实践环节。由于该课程内容广泛抽象，概念原理多，系统性强，学生的积极性不高，学习效果欠佳。为此，很多学者针对机械工程材料的教学提出了诸如翻转课堂、结合工程认证等等教学方法的改革和实践研究，本人在机械工程材料的教学中有意识地将哲学思想引入具体教学内容中，不仅增强了学生的学习兴趣和学习效果，而且培养了他们分析问题、解决问题的能力。

1 世界是物质的

辩证唯物主义认为世界在本质上是物质的。恩格斯说：“世界的真正的统一性是在于它的物质性”。（《反杜林论》，《马克思恩格斯选集》第三卷，第83页）在绪论中我们要讲人类文明发展的划分就是以材料的发展和应用，分别分为石器时代、青铜时代、铁器时代、新材料时代。21世纪现代文明的三大支柱就是材料、能源、信息。机械工程材料就是讲述常用的工程材料（包括金属材料、高分子材料、无机非金属材料）的成分、组织、性能的有机辩证关系，掌握他们的基本原理，基本规律，以便更好的选择材料，加工材料，也进一步的使我们认识世界、改造世界。

2 对立统一关系

在机械工程材料学习过程中，成分、组织结构、性能的本质与现象的辩证对立统一关系贯穿始终：成分和组织结构决定材料的性能。材料的成分和组织是材料的内在本质特征，材料的性能时材料的表现、现象。同样的成分，组织不同，性能不同，如石墨和金刚石，成分都是碳元素，但是石墨六边形层状结构，金刚石是金刚石立方晶体结构，它们之间的强度天壤之别。相似的组织，不同的成分，性能也有很大的差异，同样是面心立方结构，纯铝与纯镍的性能截然不同。厘清了成分、组织和性能的对立统一的关系，将有利于机械工程材料的选材、材料的加工、热处理，预防产品的事故，分析产品失效的原因。例如钢的牌号很多的时候就反映了材料的成分，20钢的碳含量就比45钢的碳含量少一半，根据0.9%以下含碳量越多碳钢的硬度、强度越高，韧性和塑性越低的规律，20钢适合做容器、锅炉等强度要求不高，变形大的冷冲压件，45钢适合做要求综合力学性能的机械零件。再如通过钢的热处理，在不改变材料的成分和形状的前提下，改变材料的内部组织，从而是材料具有不同的性能，适用于不同的使用场合。

3 量变质变规律

量变质变规律是辩证法的三大规律之一，量变质变规律揭示了事物发展变化形式上具有的特点，从量变开始，质变是量变的终结。例如金属材料的细晶强化，随着晶粒的细化，金属的强度增加，满足于HallPetch公式，但是随着纳米材料的发现，当晶粒尺寸到达纳米维度，会出现反HallPetch公式效应，说明晶粒尺寸这一量变达到一定程度，强度变化发生了质的变化。还是在细化晶粒方面，随着冷却速度增加，金属凝固结晶的晶粒越细，但是当冷却速度太快，达到该金属材料的临界冷却速度，金属来不及结晶，就可能会形成准晶或者非晶态。再如钢的回火温度越高，则塑性、韧性越高，强度、硬度越低，但实验发现，若在250℃～350℃及470℃～650℃两个范围内回火时，会出现韧性显著下降的情况。

4 普遍性和特殊性

普遍性与特殊性的关系是共性和个性、一般和个别的关系。从个别可以上升到一般，再用一般来指导个别。例如，理想的金属晶体结构中是没有缺陷的，实际金属的晶体结构存在着不同类型的缺陷，每类缺陷都对晶体的性能产生重大影响，那么我们可以在理想的晶体结构上引入不同类型的缺陷从而来分析实际晶体的组织结构和性能变化。再如金属的平衡凝固结晶是一种理想状态，而实际金属大部分是非平衡凝固结晶，由于非平衡凝固结晶产生的晶内偏析在平衡凝固相图的基础上进行推导和分析。又如实际金属大多数是多晶体，单晶金属是个别的，少数的，但是多晶体的塑性变形是建立在单晶体塑性变形的基础上的，也就是多晶体中每个晶粒的塑性变形仍然以滑移或孪生的方式进行。

5 主要矛盾和次要矛盾

主要矛盾和次要矛盾相互依赖、相互影响，并在一定条件下相互转化。在教学中应当引导学生区分主次、有所取舍、全面看问题。例如铸铁中石墨的形态和基体的性能都对力学性能产生很大的影响，对灰口铸铁来说，主要矛盾是片状石墨产生了大的应力集中、基体缩减作用和割裂作用，基体组织再怎么变化也对铸铁的力学性能收效甚微。当片状石墨变为球状时，矛盾的主要方面发生了变化，基体组织和性能成为了决定性的主导因素，基体作用得到较大的发挥。再如金属热处理改变材料性能主要有两个目的：一是改善工艺性能，便于加工制造；二是提高强度，改善使用性能。因此，如果是预先热处理，工艺性能是主要矛盾，那常常选择便于切削加工的退火、正火热处理；如果材料的使用性能要求高，那么最终热处理常常选择整体淬火、回火（低温、中温）、调质、表面热处理等等。

6 实践的观点

实践的观点是辩证唯物主义认识论的第一的和基本的观点。认识来源于实践，又转过来为实践服务。实践是检验真理的唯一标准。例如按照传统的设计思路，只要零件的工作应力小于材料的许用应力，则认为零件是安全的。然而，事实并非如此，实际生产中发生过很多零件在远低于材料许用应力情况下破坏的案例。这是因为实际生产中的材料内部组织不像传统观念中的均匀、连续、各向同性，而是存在着夹杂、微裂纹、孔洞等缺陷，而这些类似与裂纹的缺陷在应力的作用下，容易扩展，从而发生低应力脆性断裂，因此引入了材料的断裂韧度来作为零件的安全设计。又如热处理是机械零件和工具制造过程中的重要工序，适当的热处理，可以改善材料的使用性能和工艺性能。钢的热处理是建立在FeFe3C相图的基础上的，但是实际生产中加热和冷却速度较快，因此加热及冷却过程中相变温度就会偏离平衡条件（极其缓慢加热或冷却）FeFe3C相图的相变冷却温度。以钢的退火为例，这个偏离温度，就来自于多年的生产经验，如完全退火，就加热到高于平衡条件下的临界温度30℃～50℃，球化退火就高于20℃～30℃，等温退火就是将奥氏体化后的钢快冷至稍低于A1温度（临界温度）。机械工程材料这门课程是一门实践性很强的课程，这种从大量的生产实践归纳出来的概念、原理、公式还有很多，需要同学们仔细体会，认真掌握。

7 结语

《机械工程材料》中蕴含着丰富的自然辨证法的哲学思想，在教学过程中提炼哲学思想，归纳总结辨证唯物观，不仅有利于学生掌握机械工程材料的理论知识和实践案例，而且培养了学生分析问题、解决问题的能力，帮助他们形成科学的思维方法、正确的世界观。

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基金项目：2015年湖南工程学院青年科研重点项目

作者简介：孙小刚（1978），男，湖南岳阳人，博士，主要从事金属材料方面的教学和科研工作。