钢的热处理虚拟仿真实验

张平 韩海媚

摘要：热处理是铸件或锻件在进一步加工前不可或缺的步骤，因此钢的热处理实验是机械工程材料这门课程的重点内容之一，需要将金属材料在固态下加热、保温和冷却，通过改变金属材料，特别是钢铁材料的组织结构来获得所需性能的一种工艺。该实验的加热温度高，油冷时会产生刺鼻的气味，实验过程中会耗费大量的电能、机油、钢材试样等材料。基于以上缘由，开发了基于虚拟技术的钢的热处理仿真实验。

关键词：实践教学;钢;热处理;虚拟仿真;实验

中图分类号：TG15     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）51-0275-02

一、绪论

培养学生的实践能力和创新能力，已成为高等学校培养人才的重要手段，随着信息技术的不断进步，社会对人才的需求呈现出多样性，这就使得高校传统的实验教学体系和实验平台要进行不断的变革和更新。[1]

桂电依托学校电子信息学科优势与传统机械制造技术相结合，开发建设“智能制造系统虚拟仿真实验教学中心”，该中心设立智能机械制造虚拟工厂。其中智能机械制造虚拟工厂中，以学生实践认知为发展层次的专业认知基础实验里，机械工程材料及热加工这门课程对培养学生采用科学方法对机械零件、结构、装置、系统等相关的各类物理和材料特性制定实验方案并进行实验验证，确定相关的技术参数起重点支撑作用。因此，为达到培养学生对相关的基础知识的认知和理解，夯实基础实践能力，开设课程相关实验具有重要意义。

二、虚拟仿真内容

虚拟仿真技术的目的，就是通过虚实融合，模拟现实教学环境，使学习者获得真实的情境体验，进而有效地促进学生认知结构的形成和发展。

本项目参照现实的实验场地、实验设备及所开展的实验项目进行设计。项目把实验所涉及的场地，设备、工具、材料等内容进行现实虚拟化，如图1所示。学生只需戴上3D眼镜，用手触动手中的鼠标，大屏幕上显示的3D效果如同学生本人站在真实的实验室中，身临其境，在遵守实验室安全手册及仪器操作规则的前提下，可以对仪器进行设置等操作。如同本人来到真实的实验室中用手操作，效果相当。

项目初期，预期学生所能进行的操作有以下四项内容：实验目的、仪器介绍、实验步骤、思考测试。

1.实验目的。操作者用手点开“实验目的”菜单，则呈现出本实验项目的具体要求。包括实验目标、实验意义、实验要求，如图2所示。

虚拟仿真实验项目最终根据承担该课程的所有理论教师及实验教师和使用了该虚拟项目的学生所提的建议，增加了实验原理概述、淬火加热温度选择依据等内容。[2]

2.仪器介绍。学生在开始实验前，必须先熟悉仪器。首先是电阻炉及温度控制器，包括温度的设定及试用过程中的注意事项。其次是砂轮机、硬度计等在其他实验项目中已经接触过的设备。最后了解实验室所能提供的热处理试样材料种类，各种夹持工具及冷却介质等。

3.实验步骤。作为虚拟仿真实验项目的核心内容，实验步骤按照学生提前预习的进行操作，首先选定所要热处理的材料，本虚拟仿真项目提供45钢、T10及T12等常用的碳钢。学生自行查阅相关资料，制定相关热处理工艺。

热处理操作中，加热温度、保温时间和冷却方法是最重要的3个基本工艺因素，学生必须在热处理前了解所选材料的类别，进而根据性能要求，制定相关工艺。若选定热处理对象为T10，则材料属于过共析钢，则正火加热温度必须是Acm+（30-50）℃。T10的淬火加热温度一般常选择760℃。[3]

当电阻炉升到设定温度后（升温过程中，炉内颜色的亮度跟温度成正比，虚拟实验电阻炉升温时间设置为实际升温时间的1/10），用夹子夹取试样，放到电阻炉中加热，达到规定时间后进行冷却。

常用的淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、分级淬火、等温淬火等。本虚拟仿真项目提供了水、机油、盐三种单质冷却介质，学生可根据试样热处理后所要达到的性能要求，根据不同的材料选择相应的淬火方法。如选用水冷时，高温试样因放在室温水中而产生的声响，油冷时，高温试样放到油箱里冷却时产生的烟雾，在仿真实验中的效果几乎与实际效果相当。

热处理后的试样，打磨表面的氧化皮后用硬度计进行硬度测试，得到一套硬度数据后进行分析。

三、总结

开设虚拟仿真实验的原则是：虚实结合、相互补充，让学生有效地把虚拟仿真实验与实体实验相结合。学生在进行实际的实验之前可先在虚拟仿真中心进行预演，让学生对仪器的操作及使用可以反复练习，当出现错误操作时出现提示而不损害实际仪器;且虚拟仿真实验绿色环保，不浪费材料和能源，且不受时间限制，在中心网站预约成功后，在相应时间内到达开放的仿真实验中心即可开展实验。根据参加过该项目的学生的亲身体验，虚拟仿真效果逼真，几乎达到真实实验场景。[4]同时，培养了学生的自主学习能力，提高了学生实践和应用能力、研究和創新能力，实现了人才培养目标与社会需求的有机结合。

参考文献：

[1]杜月林，黄刚，王峰，高翔.建设虚拟仿真实验平台，探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理，2015，32（12）：26-29.

[2]包俊成，王志奇，毕大森，高新树.基于局域网的金属材料热处理虚拟实验室构建[J].激光与光电子学进展实验室科学，2013，16（1）：125-128.

[3]于永泗，齐民，徐善国.机械工程材料辅导·习题·实验[M].第5版.大连：大连理工大学出版社，2017.

[4]黄鹏，孙建林，刘国权，曾燕屏，韩凌，贠冰.综合热处理虚拟实验的设计与应用[J].实验技术与管理，2015，11（32）：132-135.