测定45号钢韧脆转变温度的实验教学方案设计

耿红霞，赵玉津，吴心如，谢惠民

（清华大学航天航空学院，北京 100084）

测定45号钢韧脆转变温度的实验教学方案设计

耿红霞，赵玉津，吴心如，谢惠民

（清华大学航天航空学院，北京 100084）

以45号钢为研究对象，设计了系列温度冲击实验教学项目，让学生独立地设计实验方案，独立完成实验操作。测定了45号钢在一个温度范围的冲击吸收功，并且结合断口的微观形貌测定了该材料的韧脆转变温度为－48℃，培养和增强了学生的综合实践能力和创新能力。

冲击实验；韧脆转变温度；实践能力；实验教学

系列温度冲击实验是测定金属材料的韧脆转变温度的重要方法，材料的韧脆转变温度决定了材料的低温韧性，它直接限定了材料在实际工程中的使用范围和安全性［1－2］。我们以45号钢为研究对象，开展了韧脆转变温度测定的教学实验项目，精心设计了实验教学项目、教学目的和方法、教学内容。本实验教学项目充分发挥学生的主观能动性，包括独立控制和实现实验温度、独立判断温度间隔合理性，以及独立运用基本实验技能进行实验操作和数据分析，最终使学生独立地用科学合理的方法测出45号钢的韧脆转变温度。该实验可以培养学生动手实践能力、基本技能及创新实践能力［3－4］。夏比冲击实验，以在工程中有重要用途的材料为研究对象，研究其冲击韧性，从微观结构和形貌上解释韧性随温度变化机理，使学生在掌握基本实验原理、操作过程和实验意义的同时，进一步认知和掌握一些典型材料的力学性能的变化规律和变化机理，坚实学生的力学实验基础，加深理论知识的理解和掌握。该实验教学项目丰富了实验教学内容和方法，大大地激发了学生热爱科研的热情，也让学生充分自主地利用实验仪器设备开展实验研究，提高了学生独立分析问题和解决问题的能力［5－7］。

1 实验教学方案设计原则

（1）有效强化学生对理论知识的实际运用，使理论和实践有机结合。

（2）通过查阅资料或者运用所学知识，让学生独立设计实验方案。

（3）增强学生的实践能力，在教师的指导下独立操作大型仪器设备进行实验，增强分析问题和解决问题的能力。

2 实验具体内容和流程确定

实验教学所用的的实验材料定为45号钢。实验方法根据夏比冲击实验标准的要求［8］，将45号钢加工成标准的10mm×10mm×55mm的U型缺口冲击试样，放置于冲击设备的两支座之间，缺口背向打击表面放置，用摆锤冲击试样，测量试样的冲击吸收功。

首先，加强学生对理论知识的理解和掌握。除了指导教师讲解书面知识，也要求学生自己查阅文献资料，提前预习实验指导书。其次，让学生独立设计测量韧脆转变温度的实验方案，包括冲击设备的认识操作、系列冲击实验所选定的实验温度，以及怎样实现这些温度。再次，使学生全面掌握测量韧脆转变温度的实验技能，增强实践能力和动手能力。最后，让学生从微观尺度上认识和理解45号钢在不同实验温度下的韧脆性，通过扫描电镜观察冲击试件的断口形貌与温度的变化关系。

2．1 实验材料和实验方法

冲击设备为300J摆锤式动态断裂力学冲击试验机，试样所测得的冲击能量的误差在＋／－2J。实验选取100～196℃共8个实验温度，分别为25，0，－20，－40，－60，－80，－100和－196℃。同一温度下取3个冲击试样同时放入介质中降温或者升温，保温5min。试样从介质中取出应该快速，从取出到打击时间应控制在2s以内。为了保证学生安全，所选择的高温或低温介质应该安全无毒。0℃以下的试样采用液氮和无水乙醇作为冷却介质，0℃的试样在冰水混合物中冷却。测温使用低温热电偶。冲击完成后，迅速用QUANTA FEG 450型扫描电子显微镜观察冲击断口的微观形貌。

2．2 实验结果及讨论

表1列出了不同实验温度下U型缺口冲击试样的冲击功和断口的微观形貌，扫描电镜观测的断口微观形貌见图1。

表1 45号钢不同实验温度的测试结果

可见冲击吸收功随试验温度的降低而逐渐减小。让学生用作图软件Origin拟合出冲击吸收功随温度的变化曲线，如图2所示。学生能观察到：45号钢在实验温度区间内有韧脆转变现象，但曲线变化平缓，没有明显的韧脆转变温度。取冲击能量降至室温值的50%时所对应的温度为韧脆转变温度ETT50，确定为－48℃。

图1 不同实验温度下冲击试样的断口微观形貌2000×

图2 45号钢的冲击功与温度的关系

整个实验过程中，学生独立操作实验，独立分析实验数据和拟合曲线，利用所学知识和文献资料掌握韧脆转变温度确定的方法［9－10］。实验数据的分析和韧脆转变温度的确定充分调动了学生钻研的积极性，丰富了实验知识，增强了动手能力和实践能力，提高了学生科学实验的能力。

然后让学生观察冲击试样的宏观断口特征，哪些温度下断口形貌是纤维状，哪些温度下是结晶状或者混合状［11－12］。有了初步的认识后，让学生亲自操作扫描电镜观察断口的微观形貌，了解一些基本概念，如韧窝、准解理等。

在实验过程中学生会发现，随着试验温度的降低，断口由韧窝的组织结构过渡到准解理＋韧窝再到准解理的组织结构，在低温时出现脆性断裂的现象，以结晶状断裂（准解理断裂）为主，韧窝几乎完全消失。从而引导学生理解实际工程应用中测量材料的韧脆转变温度的必要性。对于有低温脆性的材料，必须充分考虑到其安全性。这样学生一方面掌握了本实验所涉及的实验技术和手段，锻炼了动手能力，也同时增强了独立分析问题、解决问题的能力，把理论用于实践，用实践强化理论，两者相辅相成，成为系统的整体。

教师应积极利用实验过程中学生所遇到的挫折，因势引导，激发学生解决难题的热情和成就感。

2．3 实验报告的撰写及成绩考核

实验报告是实验教学流程中非常重要的一个环节，撰写实验报告可以让学生从头至尾理顺整个实验的目的、要求、内容和操作流程，对实验过程中所遇到的问题加以深刻思索，巩固所学实验知识和实验技能，提高分析实验数据的能力。学生成绩根据实验预习、出勤、实验操作和实验报告撰写情况综合评定。

3 结束语

本实验教学项目给学生充分的发挥空间，让其自己想办法实现高温或者低温的控制，自己选择温度间隔以及一些基本技能的掌握和运用，如韧脆转变温度的定义和确定等。学生在符合规范技术要求的基础上，科学合理地测出了45号钢的韧脆转变温度为－48℃。该实验教学项目不仅丰富了实验教学内容，还培养和提高了学生的创新实践能力和科学意识，增强了学生用科学的方法分析问题和解决问题的能力。

（References）

［1］高彩茹，张富来，李洪斌，等．超级钢CX400的韧－脆转变温度［J］．钢铁研究学报，2005，17（3）：52－55．

［2］李久林．金属夏比缺口冲击试验方法国家标准实施指南［M］．北京：中国标准出版社，2006．

［3］郑家茂．构建“做学研”相结合的创新实验平台，促进学生“做中学、学中研、研中创”［J］．实验技术与管理，2010，27（1）：1－4．

［4］王晓岗，朱仲良，张荣华，等．化学精品实验项目建设的探索与实践［J］．实验技术与管理，2011，28（2）：117－119．

［5］邓百万，陈文强，彭浩，等．基于能力培养的微生物实验教学手段与方法的改革研究［J］．实验技术与管理，2011，28（2）：7－10．

［6］孙盾，姚缨英．开设自主实验的实践与思考［J］．实验技术与管理，2009，26（5）：21－23．

［7］曹小华，柳闽生，詹寿发，等．利用实验“故障”培养学生创新能力［J］．实验室研究与探索，2004，23（8）：67－69．

［8］GB／T 229—2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法［S］．北京：中国标准出版社，2007．

［9］王林岐，赵学忠．不锈钢X10CrNiMoV12－2－2韧脆转变温度的测试［J］．热加工工艺，2011，40（8）：17－19．

［10］于秀娥，代文科，孙绍广，等．不同摆锤刀刃对管线钢夏比冲击试验的影响及分析［J］．中国测试，2011，37（6）：21－23．

［11］崔颖，史志龙．锅炉压力容器DIWA353钢板韧脆转变温度的测定［J］．黑龙江电力，2008，30（1）：48－50．

［12］唐振廷．仪器化冲击试验应用讲座（二）纤维断面率与韧性断面率之间的关系［J］．汽车工艺与材料，2005（11）：42－44．

Scheme design of experimental teaching based on study of ductile－brittle transition temperature for 45steel

Geng Hongxia，Zhao Yujin，Wu Xinru，Xie Huimin
（School of Aerospace，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Based on Charpy U－notch impact tests at different temperatures，the experimental teaching course is designed．Ductile－brittle transition temperature for 45Steel is measured by students independently，about－48℃，by means of the impact absorbing energy．The macrostructure of the fracture surface of 45steel at different temperatures is observed and discussed．The experimental teaching course can train and enhance the comprehensive practice and innovative abilities of students．

impact test；ductile－brittle transition temperature；practical ability；experimental teaching

G642．423

A

1002－4956（2015）3－0190－03

2014－07－10

国家自然科学基金青年科学基金资助项目（51202122）

耿红霞（1977—），女，博士，工程师，主要从事材料科学、实验力学方面的研究与教学工作．

E－mail：ghxia＠tsinghua．edu．cn