《金属材料与热处理》教学中难点突破探索

郑庆行

（河南省煤炭高级技工学校 451150）

《金属材料与热处理》教学中难点突破探索

郑庆行

（河南省煤炭高级技工学校 451150）

《金属材料与热处理》教学中出现的一些疑难问题，可以通过举例来辅助学生理解和掌握。

金属材料与热处理；举例；教学效果

《金属材料与热处理》是一门专业性较强、理论抽象概念较多的专业基础课。在教学中，学生学习起来普遍感到枯燥乏味，加之有些概念、现象比较抽象，难于理解，教学难度相对比较大。笔者在多年的教学实践中，发现把那些抽象、又难于理解的内容，通过形象、恰当的举例加以表述，即能活跃课堂气氛，又能激发起学生的学习兴趣和热情，加深对某些疑难问题的理解，从而提高课堂教学的效果。下面就笔者在教学过程中，对部分疑难问题相应举例的教学，分别做一阐述：

1 金属的同素异构现象

1867年的冬天俄国彼得堡海关堆在仓库里的大批锡砖，一夜之间不翼而飞，留下来的却是一堆堆像泥土一样的灰色粉末。1912年，英探险家斯科特带了大量给养和液体燃料去南极探险，却冻死在南极，原来是盛液体燃料的铁筒焊接缝的锡都化成了灰土。原来，锡具有与其他金属不同的物理性质.当环境温度极低时，其晶体结构会发生改变，体积增加20%左右．变成一种灰色粉末；到了-33℃时，这种变化的速度就会大大加快。那年冬天，俄国彼得堡地区的气温下降到-33℃以下，所以银光闪闪的锡扣子都不见了，只有钉纽扣的地方留下一小撮灰色的粉末。在常压下，一些固态金属在不同的温度范围里，具有不同的晶格。例如，钛在882°C以下具有密排六方晶格，而在882°C以上直至熔化以前，它却以体心立方晶格的形式存在，其他金属，像铁、钴、锰、锡、锆等，它们都具有和这相类似的性质。金属在固态下，在不同温度范围里，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为金属的同素异构转变。此课题的提出，使得学生在理解上出现了问题，即固态下的某些金属怎么会出现此现象呢？于此，在讲清这个论点前，我先向学生提出了这样一个问题：固态下的金属都是“热胀冷缩”吗？有的学生答“是”，有的学生说“不是”。我对同学说：咱们暂且不下任何结论，先做一个简单的举例。首先取一根直径为2mm左右，长约1～2m的铁丝，两端固定在支架上，通以电流，使其缓慢加热，随着电流的增加，我们发现，铁丝受热膨胀而逐渐下垂，当加热到铁丝呈橙色（约910°C以上）时，铁丝突然发生回升现象，表明此时铁丝产生了收缩。相反，铁丝由高温（约1000°C左右）逐渐冷却时，达某一温度会有冷却时的伸长现象。为什么铁丝受热会有收缩现象，而遇冷又有伸长现象呢？显然这与铁丝内部发生某种变化有关。此例的举出，使学生既明白了固态下的一些金属，并不都是“无条件”的热胀冷缩，同时也知道了金属同素异构现象发生的原因，就是金属在某种条件下晶格之间的转变。

2 疲劳现象

许多机械零件都是在循环载荷的作用下工作的，例如曲轴、齿轮、弹簧、各种轴承等等。工作过程中，上述机械零件常常在它们的工作应力还低于制作材料的屈服点或屈服强度的情况下发生断裂，这种现象称为疲劳现象。疲劳断裂与静载荷作用下的断裂不同，不管是韧性材料还是脆性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先无明显的塑性变形作为征兆，故而具有很大的危险性。为什么会出现此现象，学生普遍表示不理解。为什么呢？因为在我们前面讲过的拉伸曲线内容时，通过对拉伸曲线的分析，学生已经知道金属材料断裂前的最大应力是抗拉强度，而屈服点或屈服强度的应力值低于抗拉强度。应当讲，在抗拉强度以下工作的零件是安全的，不会破坏，可为什么这些零件在低于屈服点或屈服强度的情况下发生断裂，学生困惑多多。为此，在授课过程中举一例：在第二次世界大战中，有这样一个战例，当时法西斯德国派出轰炸机频频轰炸英国本土。英国皇家空军驾驶战机空中拦截，战况惨烈，突然，在不长的一段时间内，英国战机相继坠落，机毁人亡。英军方对坠落飞机介入调查，最初的结论认为，德国是否发明了什么新式武器，因为在坠落飞机的残骸上，无任何的弹痕，从而引起一片恐慌。但随着调查的是深入，最终正确的结论是：这些坠落的战机无一例外的是由于疲劳现象的发生而坠毁的。也就是说，飞机发动机内的零件出现了疲劳断裂。究其原因做进一步的分析，机械零件之所以产生疲劳破坏，主要在由于制造这些机械零件的材料表面或内部有缺陷，如：夹杂、划痕、尖角、软点、显微裂纹等等。这些地方的局部应力大于屈服点，在循环载荷的反复作用下，产生疲劳裂纹，并随应力循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩散，使零件的有效承载面积不断减少，最后达到某一临界尺寸时，而突然断裂。

在金属材料中添加各种“维生素”是增强金属抗疲劳的有效办法。例如，在钢铁和有色金属里，加进万分之几或千万分之几的稀土元素，就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领，延长使用寿命。金属疲劳所产生的裂纹会给人类带来灾难。然而，也有另外的妙用。利用金属疲劳断裂特性制造的应力断料机已经诞生。可以对各种性能的金属和非金属在某一切口产生疲劳断裂进行加工。这个过程只需要2s以下的时间，而且，越是难以切削的材料，越容易通过这种加工来满足人们的需要。

通过举例让同学们知道了金属疲劳，同时又扩充了他们对疲劳现象的认识，学生们一下子就明白了，而且专神贯注、饶有兴致地掌握了这一教学上的疑难点。

由于篇幅的限制，只能列举这样的两个教学实例，在《金属材料与热处理》的教学中还有很多。针对课程中的某些疑难的内容、概念，应尽可能的多采用有趣、直观、多样的方式进行启发式教学；多列举生活、生产中的实例，以学生为中心，活跃课堂气氛，将抽象、深奥的知识，用生动形象的语言和举例，深入浅出地讲授给学生，使学生能够相对容易地理解和吸收，且能举一反三，应用到实际中去，同时激发学生学习的积极性和主动性，使学生能更多地感知知识、更牢地掌握知识，以达到“讲的透、学的活、记得住、用得上”之教学目标。

[1]陈志毅.金属材料与热处理.中国劳动社会保障出版社，2011.

[2]潘金生，田民波，仝健民.材料科学基础.清华大学出版社，2011.

[3]宋维锡.金属学.冶金工业出版社，1989.

G712.4

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1004-7344（2016）07-0029-01

2016-2-20