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淺談《金屬材料與熱處理》課程疑難點(diǎn)的舉例教學(xué)
天津市機(jī)電工藝學(xué)院 范雅華 2006/8/28
內(nèi)容摘要：在《金屬材料與熱處理》教學(xué)中出現(xiàn)一些疑難問題時(shí)，用一些較恰當(dāng)?shù)睦樱瑤椭鷮W(xué)生對(duì)這些問題的理解和掌握，進(jìn)而提高課堂教學(xué)的效果。
關(guān)鍵詞：金屬材料與熱處理 舉例 教學(xué)效果
《金屬材料與熱處理》是一門專業(yè)性較強(qiáng)、理論抽象概念較多的專業(yè)基礎(chǔ)課。在教學(xué)內(nèi)容中雖涉及到了一些動(dòng)手操作的實(shí)驗(yàn)，但由于當(dāng)前一些條件的限制，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)學(xué)生不能親自動(dòng)手去做，故而學(xué)生學(xué)習(xí)起來感到枯燥乏味，加之有些概念、現(xiàn)象比較抽象，難于理解，教學(xué)難度相對(duì)比較大。學(xué)生們對(duì)學(xué)習(xí)本課程的興趣不高，特別是近幾年，由于某些原因，職業(yè)化學(xué)校學(xué)生的生源基礎(chǔ)比較低，更有許多學(xué)生來自農(nóng)村，對(duì)于機(jī)械行業(yè)乃至金屬材料與熱處理等領(lǐng)域缺乏基本的感性認(rèn)知。如何在教學(xué)過程中引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、充分調(diào)動(dòng)起學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)積極性，是我們作為教師的首選任務(wù)。筆者在多年的教學(xué)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)把那些抽象、又難于理解的內(nèi)容，通過形象、恰當(dāng)?shù)呐e例加以表述，即能活躍課堂氣氛，又能激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，加深對(duì)某些疑難問題的理解，從而提高課堂教學(xué)的效果。下面就筆者在教學(xué)過程中，對(duì)一些疑難問題相應(yīng)舉例的教學(xué)，分別做一闡述：
疲勞現(xiàn)象——
許多機(jī)械零件都是在循環(huán)載荷的作用下工作的，例如曲軸、齒輪、彈簧、各種軸承等等。工作過程中，上述機(jī)械零件常常在它們的工作應(yīng)力還低于制作材料的屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞現(xiàn)象。疲勞斷裂與靜載荷作用下的斷裂不同，不管是韌性材料還是脆性材料，疲勞斷裂都是突然發(fā)生的，事先無明顯的塑性變形作為征兆，故而具有很大的危險(xiǎn)性。為什么會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象，學(xué)生普遍表示不理解。為什么呢？因?yàn)樵谖覀兦懊嬷v過的拉伸曲線內(nèi)容時(shí)，通過對(duì)拉伸曲線的分析，學(xué)生已經(jīng)知道金屬材料斷裂前的最大應(yīng)力是抗拉強(qiáng)度，而屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)度的應(yīng)力值低于抗拉強(qiáng)度。應(yīng)當(dāng)講，在抗拉強(qiáng)度以下工作的零件是安全的，不會(huì)破壞，可為什么這些零件在低于屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂，學(xué)生困惑多多。為此，在授課過程中舉一例：在第二次世界大戰(zhàn)中，有這樣一個(gè)戰(zhàn)例，當(dāng)時(shí)法西斯德國(guó)派出轟炸機(jī)頻頻轟炸英國(guó)本土。英國(guó)皇家空軍駕駛戰(zhàn)機(jī)空中攔截，戰(zhàn)況慘烈，突然，在不長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，英國(guó)戰(zhàn)機(jī)相繼墜落，機(jī)毀人亡。英軍方對(duì)墜落飛機(jī)介入調(diào)查，最初的結(jié)論認(rèn)為，德國(guó)是否發(fā)明了什么新式武器，因?yàn)樵趬嬄滹w機(jī)的殘骸上，無任何的彈痕，從而引起一片恐慌。但隨著調(diào)查的是深入，最終正確的結(jié)論是：這些墜落的戰(zhàn)機(jī)無一例外的是由于疲勞現(xiàn)象的發(fā)生而墜毀的。也就是說，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的零件出現(xiàn)了疲勞斷裂。究其原因做進(jìn)一步的分析，機(jī)械零件之所以產(chǎn)生疲勞破壞，主要在由于制造這些機(jī)械零件的材料表面或內(nèi)部有缺陷，如：夾雜、劃痕、尖角、軟點(diǎn)、顯微裂紋等等。這些地方的局部應(yīng)力大于屈服點(diǎn)，在循環(huán)載荷的反復(fù)作用下，產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨應(yīng)力循環(huán)周次的增加，疲勞裂紋不斷擴(kuò)散，使零件的有效承載面積不斷減少，最后達(dá)到某一臨界尺寸時(shí)，而突然斷裂。通過此例，學(xué)生們一下子就明白了，而且專神貫注、饒有興致地掌握了這一教學(xué)上的疑難點(diǎn)。
金屬的同素異構(gòu)現(xiàn)象——
在常壓下，一些固態(tài)金屬在不同的溫度范圍里，具有不同的晶格。例如，鈦在882°C以下具有密排六方晶格，而在882°C以上直至熔化以前，它卻以體心立方晶格的形式存在，其他金屬，像鐵、鈷、錳、錫、鋯等，它們都具有和這相類似的性質(zhì)。金屬在固態(tài)下，在不同溫度范圍里，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。此課題的提出，使得學(xué)生在理解上出現(xiàn)了問題，即固態(tài)下的某些金屬怎么會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象呢？于此，在講清這個(gè)論點(diǎn)前，我先向?qū)W生提出了這樣一個(gè)問題：固態(tài)下的金屬都是“熱脹冷縮”嗎？有的學(xué)生答“是”，有的學(xué)生說“不是”。我對(duì)同學(xué)說：咱們暫且不下任何結(jié)論，先做一個(gè)簡(jiǎn)單的舉例。首先取一根直徑為2毫米左右，長(zhǎng)約1~2米的鐵絲，兩端固定在支架上，通以電流，使其緩慢加熱，隨著電流的增加，我們發(fā)現(xiàn)，鐵絲受熱膨脹而逐漸下垂，當(dāng)加熱到鐵絲呈橙色（約910°C以上）時(shí)，鐵絲突然發(fā)生回升現(xiàn)象，表明此時(shí)鐵絲產(chǎn)生了收縮。相反，鐵絲由高溫（約1000°C左右）逐漸冷卻時(shí)，達(dá)某一溫度會(huì)有冷卻時(shí)的伸長(zhǎng)現(xiàn)象。為什么鐵絲受熱會(huì)有收縮現(xiàn)象，而遇冷又有伸長(zhǎng)現(xiàn)象呢？顯然這與鐵絲內(nèi)部發(fā)生某種變化有關(guān)。此例的舉出，使學(xué)生既明白了固態(tài)下的一些金屬，并不都是“無條件”的熱脹冷縮，同時(shí)也知道了金屬同素異構(gòu)現(xiàn)象發(fā)生的原因，就是金屬在某種條件下晶格之間的轉(zhuǎn)變。
晶格畸變現(xiàn)象——
在前面課程的講解中，我們將金屬原子的規(guī)則排列抽象化，引出了晶胞晶格的概念。當(dāng)金屬原子那樣排列時(shí)，內(nèi)部原子的排列是非常整齊的，一點(diǎn)兒缺陷都沒有。但是，像這樣理想的晶體，在自然界中幾乎是不存在的。（未完，下一頁(yè)）
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