时间：2022-10-24 22:51:30
40多年以前，科学家们就认识到实际材料中的无序结构是不容忽视的。许多新发现的物理效应，诸如某些相转变、量子尺寸效应和有关的传输现象等，只出现在含有缺陷的有序固体中。事实上，如果多晶体中晶体区的特征尺度（晶粒或晶畴直径或薄膜厚度）达到某种特征长度时（如电子波长、平均自由程、共格长度、相关长度等），材料的性能将不仅依赖于晶格原子的交互作用，也受其维数、尺度的减小和高密度缺陷控制。有鉴于此，HGleitCr认为，如果能够合成出晶粒尺寸在纳米量级的多晶体，即主要由非共格界面构成的材料[例如，由50％（invol．）的非共植晶界和50％（invol．）的晶体构成］，其结构将与普通多晶体（晶粒大于lmm）或玻璃（有序度小于2nm）明显不同，称之为"纳米晶体材料"（nanocrystallinematerials）。后来，人们又将晶体区域或其它特征长度在纳米量级范围（小于100nn）的材料广义定义为"纳米材料"或"纳米结构材料"（nanostructuredmaterials）。由于其独特的微结构和奇异性能，纳米材料引起了科学界的极大关注，成为世界范围内的研究热点，其领域涉及物理、化学、生物、微电子等诸多学科。目前，广义的纳米材料的主要?ǎ?BR>l）清洁或涂层表面的金属、半导体或聚合物薄膜；2）人造超晶格和量子讲结构；功半结晶聚合物和聚合物混和物；4）纳米晶体和纳米玻璃材料；5）金属键、共价键或分子组元构成的纳米复合材料。
经过最近十多年的研究与探索，现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展，研究成果日新月异，研究范围不断拓宽。本文主要从材料科学与工程的角度，介绍与评述纳米金属材料的某些研究进展。
2纳米材料的制备与合成
材料的纳米结构化可以通过多种制备途径来实现。这些方法可大致归类为"两步过程"和"一步过程"。"两步过程"是将预先制备的孤立纳米颗粒因结成块体材料。制备纳米颗粒的方法包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶胶一凝胶过程、溶液的热分解和沉淀等，其中，PVD法以"惰性气体冷凝法"最具代表性。"一步过程"则是将外部能量引入或作用于母体材料，使其产生相或结构转变，直接制备出块体纳米材料。诸如，非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。目前，关于制备科学的研究主要集中于两个方面：l）纳米粉末制备技术、理论机制和模型。目的是改进纳米材料的品质和产量；2）纳米粉末的固结技术。以获得密度和微结构可控的块体材料或表面覆层。
3纳米材料的奇异性能
1）原子的扩散行为
原子扩散行为影响材料的许多性能，诸如蠕变、超塑性、电性能和烧结性等。纳米晶Co的自扩散系数比Cu的体扩散系数大14～16个量级，比Cu的晶界自扩散系数大3个量级。Wurshum等最近的工作表明：Fe在纳米晶N中的扩散系数远低于早期报道的结果。纳米晶Pd的界面扩散数据类似于普通的晶界扩散，这很可能是由于纳米粒子固结成的块状试样中的残留疏松的影响。他们还报道了Fe在非晶FeSiBNbCu（Finemete）晶化形成的复相纳米合金（由Fe3Si纳米金属间化合物和晶间的非晶相构成）中的扩散要比在非晶合金中快10～14倍，这是由于存在过剩的热平衡空位。Fe在Fe-Si纳米晶中的扩散由空位调节控制。
2）力学性能
目前，关于纳米材料的力学性能研究，包括硬度、断裂韧性、压缩和拉伸的应力一应变行为、应变速率敏感性、疲劳和蠕变等已经相当广泛。所研究的材料涉及不同方法制备的纯金属、合金、金属间化合物、复合材料和陶瓷。研究纳米材料本征力学性能的关键是获得内部没有（或很少）孔隙、杂质或裂纹的块状试样。由于试样内有各种缺陷，早期的许多研究结果已被最近取得的结果所否定。样品制备技术的日臻成熟与发展，使人们对纳米材料本征力学性能的认识不断深入。
许多纳米纯金属的室温硬度比相应的粗晶高2～7倍。随着晶粒的减小，硬度增加的现象几乎是不同方法制备的样品的一致表现。早期的研究认为，纳米金属的弹性模量明显低于相应的粗晶材料。例如，纳米晶Pd的杨氏和剪切模量大约是相应全密度粗晶的70％。然而，最近的研究发现，这完全是样品中的缺陷造成的，纳米晶Pd和Cu的弹性常数与相应粗晶大致相同，屈服强度是退火粗晶的10～15倍。晶粒小子50nm的Cu韧性很低，总延伸率仅1％～4％，晶粒尺寸为110nm的Cu延伸率大于8％。从粗晶到15urn，Cu的硬度测量值满足HallPetch关系；小于15nm后，硬度随晶粒尺寸的变化趋于平缓，虽然硬度值很高，但仍比由粗晶数据技HallPetch关系外推或由硬度值转换的估计值低很多。不过，纳米晶Cu的压缩屈服强度与由粗晶数据的HallPetCh关系外推值和测量硬度的值（Hv／3）非常吻合，高密度纳米晶Cu牙DPd的压缩屈服强度可达到1GPa量级。
尽管按照常规力学性能与晶粒尺寸关系外推，纳米材料应该既具有高强度，又有较高韧性。但迄今为止，得到的纳米金属材料的韧性都很低。晶粒小于25nm时，其断裂应变仅为＜5％，远低于相应粗晶材料。主要原因是纳米晶体材料中存在各类缺陷、微观应力及界面状态等。用适当工艺制备的无缺陷、无微观应力的纳米晶体Cu，其拉伸应变量可高达30％，说明纳米金属材料的韧性可以大幅度提高。纳米材料的塑性变形机理研究有待深入。
纳米晶金属间化合物的硬度测试值表明，随着晶粒的减小，在初始阶段（类似于纯金属盼情况）发生硬化，进一步减小晶粒，硬化的斜率减缓或者发生软化。由硬化转变为软化的行为是相当复杂的，但这些现象与样品的制备方法无关。材料的热处理和晶粒尺寸的变化可能导致微观结构和成份的变化，如晶界、致密性、相变、应力等，都可能影响晶粒尺寸与硬度的关系。
研究纳米晶金属间化合物的主要动机是探索改进金属间化合物的室温韧性的可能性。Bohn等首先提出纳米晶金属化合物几种潜在的优越性。其中包括提高强度和韧性。Haubold及合作者研究了IGC法制备的NiAl的力学性能，但仅限于单一样品在不同温度退火后的硬度测量。Smith通过球磨NiAl得到晶粒尺寸从微米级至纳米级的样品，进行了"微型盘弯曲试验"，观察到含碳量低的材料略表现出韧性，而含碳多的材料没有韧性。最近Choudry等用"双向盘弯曲试验"研究了纳米晶NiAl，发现晶粒小于10nm时，屈服强度高干粗晶NiAl，且在室温下有韧性，对形变的贡献主要源于由扩散控制的晶界滑移。室温压缩实验显示由球磨粉末固结成的纳米晶Fe-28Al-2Cr具有良好的塑性（真应变大于1．4），且屈服强度高（是粗晶的1O倍）。测量TiAl（平均晶粒尺寸约10nm）的压缩蠕变（高温下测量硬度随着恒载荷加载时间的变化）表明，在起始的快速蠕变之后，第二阶段蠕变非常缓慢，这意味着发生了扩散控制的形变过程。低温时（低于扩散蠕变开始温度），纳米晶的硬度变化很小。观察到的硬度随着温度升高而下降，原因之一是压头载荷使样品进一步致密化，而主要是因为材料流变加快。Mishra等报道，在750～950°C，10-5～10-3s-1的应?渌俾史段В擅拙i-47．5Al-3Cr（g-TiAl）合金的形变应力指数约为6，说明其形变机制为攀移位错控制。
值得注意的是，最近报道了用分子动力学计算机模拟研究纳米材料的致密化过程和形变。纳米Cu丝的模拟结果表明，高密度晶界对力学行为和塑性变形过程中的晶界迁移有显著影响。纳米晶（3～5nm）Ni在低温高载荷塑性变形的模拟结果显示，其塑性变形机制主是界面的粘滞流动、晶界运动和晶界旋转，不发生开裂和位错发散，这与粗晶材料是截然不同的。
3）纳米晶金属的磁性
早期的研究发现。纳米晶Fe的饱和磁化强度试比普通块材a-Fe约低40％。Wagner等用小角中子散射（SANS）实验证实纳米晶Fe由铁磁性的晶粒和非铁磁性（或弱铁磁性）的界面区域构成，界面区域体积约占一半。纳米晶Fe的磁交互作用不仅限于单个晶粒，而且可以扩展越过界面，使数百个晶粒磁化排列。
Daroezi等证实球磨形成的纳米晶Fe和Ni的饱和磁化强度与晶粒尺寸（50mm～7nm）无关，但纳米晶的饱和磁化曲线形状不同于微米晶材料。随着晶粒减小，矫顽力显著增加。Schaefer等报道，纳米晶Ni中界面原子的磁拒降低至0.34mB／原子（块状Ni为0．6mB／原子），界面组份的居里温度（545K）比块状晶体Ni的（630K）低。最近的研究还发现，制备时残留在纳米晶Ni中的内应力对磁性的影响很大，纳米晶Ni的饱和磁化强度与粗晶Ni基本相同。
Yoshizawa等报道了快淬的FeCuNbSiB非晶在初生晶化后，软磁性能良好，可与被莫合金和最好的Co基调合金相媲美，且饱和磁化强度很高（Bs约为1．3T）。其典型成份为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9称为"Finemet"。性能最佳的结构为a-Fe（Si）相（12～20nm）镶嵌在剩余的非晶格基体上。软磁性能好的原因之一被认为是铁磁交互作用。单个晶粒的局部磁晶体各向异性被有效地降低。其二是晶化处理后，形成富Si的a-Fe相，他和磁致伸缩系数ls下降到2′10-6。继Finemet之后，90年代初又发展了新一族纳米晶软磁合金Fe-Zr-（Cu）-B-(Si)系列（称为''''Nanoperm"）。退火后，这类合金形成的bcc相晶粒尺寸为10～20nm，饱和磁化强度可达1．5～1．7T，磁导率达到48000（lkHz）。铁芯损耗低，例如，Fe86Zr7B6Cu1合金的铁芯损耗为66mW·g-1（在1T，50Hz条件下），比目前做变压器铁芯的Fe78Si9B13非晶合金和bccFe-3．5％Si合金小45％和95％，实用前景非常诱人。
4）催化及贮氢性能
在催化剂材料中，反应的活性位置可以是表面上的团簇原子，或是表面上吸附的另一种物质。这些位置与表面结构、晶格缺陷和晶体的边角密切相关。由于纳米晶材料可以提供大量催化活性位置，因此很适宜作催化材料。事实上，早在术语"纳米材料"出现前几十年，已经出现许多纳米结构的催化材料，典型的如Rh／Al2O3、Pt／C之类金属纳米颗粒弥散在情性物质上的催化剂。已在石油化工、精细化工合成、汽车排气许多场合应用。
Sakas等报道了纳米晶5％（inmass）Li-MgO（平均直径5．2nm，比表面面积750m2·g-1）的催化活性。它对甲烷向高级烃转化的催化效果很好，催化激活温度比普通Li浸渗的MgO至少低200°C，尽管略有烧结发生，纳米材料的平均活性也比普通材料高3．3倍。
Ying及合作者利用惰性气氛冷凝法制成高度非化学当量的CeO2-x纳米晶体，作为CO还原SO2、CO氧化和CH4氧化的反应催化剂表现出很高的活性。活化温度低于超细的化学当量CeO2基材料。例如，选择性还原SO2为S的反应，可在500°C实现100％转换，而由化学沉淀得到的超细CeO2粉末，活化温度高达600°C。掺杂Cu的Cu-CeO2-x纳米复合材料可以使SO2的反应温度降低到420°C。另外，CeO2-x纳米晶在SO2还原反应中没有活性滞后，且具有超常的抗CO2毒化能力。还能使CO完全转化为CO2的氧化反应在低于100°C时进行，这对冷起动的汽车排气控制非常有利。值得注意的是这样的催化剂仅由较便宜的金属构成，毋须添加资金属元素。
FeTi和Mg2Ni是贮氢材料的重要候选合金。其缺点是吸氢很慢，必须进行活化处理，即多次地进行吸氢----脱氢过程。Zaluski等最近报道，用球磨Mg和Ni粉末可直接形成化学当量的Mg2Ni，晶粒平均尺寸为20～30nm，吸氢性能比普通多晶材料好得多。普通多晶Mg2Ni的吸氢只能在高温下进行（如果氢压力小于20Pa，温度必须高于250°C），低温吸氢则需要长时间和高的氢压力，例如200°C、120bar(lbar＝0．1Mpa)，2天。纳米晶Mg2Ni在200°C以下，即可吸氢，毋须活化处理。300°C第一次氢化循环后，含氢可达～3.4％（inmass）。在以后的循环过程中，吸氢比普通多晶材料快4倍。纳米晶FeTi的吸氢活化性能明显优于普通多晶材料。普通多晶FeTi的活化过程是：在真空中加热到400～450℃，随后在约7Pa的H2中退火、冷却至室温再暴露于压力较高（35～65Pa）的氢中，激活过程需重复几次。而球磨形成的纳米晶FeTi只需在400℃真空中退火0.5h，便足以完成全部的氢吸收循环。纳米晶FeTi合金由纳米晶粒和高度无序的晶界区域（约占材料的20％～30％）构成。
4纳米材料应用示例
目前纳米材料主要用于下列方面：
l）高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料
纳米结构的WC-Co已经用作保护涂层和切削工具。这是因为纳米结构的WC-Co在硬度、耐磨性和韧性等方面明显优于普通的粗晶材料。其中，力学性能提高约一个量级，还可能进一步提高。高能球磨或者化学合成WC-Co纳米合金已经工业化。化学合成包括三个主要步骤：起始溶液的制备与混和；喷雾干燥形成化学性均匀的原粉末；再经流床热化学转化成为纳米晶WC-Co粉末。喷雾干燥和流床转化已经用来批量生产金属碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氢气氛下液相烧结成块体材料。VC或Cr3C2等碳化物相的掺杂，可以抑制烧结过程中的晶粒长大。
2)纳米结构软磁材料
Finemet族合金已经由日本的HitachiSpecialMetals，德国的VacuumschmelzeGmbH和法国的Imply等公司推向市场，已制造销售许多用途特殊的小型铁芯产品。日本的AlpsElectricCo．一直在开发Nanoperm族合金，该公司与用户合作，不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。
3)电沉积纳米晶Ni
电沉积薄膜具有典型的柱状晶结构，但可以用脉冲电流将其破碎。精心地控制温度、pH值和镀池的成份，电沉积的Ni晶粒尺寸可达10nm。但它在350K时就发生反常的晶粒长大，添加溶质并使其偏析在晶界上，以使之产生溶质拖拽和Zener粒子打轧效应，可实现结构的稳定。例如，添加千分之几的磷、流或金属元素足以使纳米结构稳定至600K。电沉积涂层脉良好的控制晶粒尺寸分布，表现为Hall－Petch强化行为、纯Ni的耐蚀性好。这些性能以及可直接涂履的工艺特点，使管材的内涂覆，尤其是修复核蒸汽发电机非常方便。这种技术已经作为EectrosleeveTM工艺商业化。在这项应用中，微合金化的涂层晶粒尺寸约为100nm，材料的拉伸强度约为锻造Ni的两倍，延伸率为15％。晶间开裂抗力大为改善。
4）Al基纳米复合材料
Al基纳米复合材料以其超高强度（可达到1.6GPa）为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a-Al粒子，合金元素包括稀土（如Y、Ce）和过渡族金属（如Fe、Ni）。通常必须用快速凝固技术（直接淬火或由初始非晶态通火）获得纳米复合结构。但这只能得到条带或雾化粉末。纳米复合材料的力学行为与晶化后的非晶合金相类似，即室温下超常的高屈服应力和加工软化（导致拉神状态下的塑性不稳定性）。这类纳米材料（或非晶）可以固结成块材。例如，在略低于非晶合金的晶化温度下温挤。加工过程中也可以完全转变为晶体，晶粒尺寸明显大干部份非晶的纳米复合材料。典型的Al基体的晶粒尺寸为100～200nm，镶嵌在基体上的金属间化合物粒子直径约50nm。强度为0.8～1GPa，拉伸韧性得到改善。另外，这种材料具有很好的强度与模量的结合以及疲劳强度。温挤Al基纳米复合材料已经商业化，注册为GigasTM。雾化的粉末可以固结成棒材，并加工成小尺寸高强度部件。类似的固结材料在高温下表现出很好的超塑：在1s-1的高应变速率下，延伸率大于500％。
5结语
在过去十多年里，尽管纳米材料的研究已经取得了显著进展，但许多重要问题仍有待探索和解决。诸如，如何获得清洁、无孔隙、大尺寸的块体纳米材料，以真实地反映纳米材料的本征结构与性能？如何开发新的制备技术与工艺，实现高品质、低成本、多品种的纳米材料产业化？纳米材料的奇异性能是如何依赖于微观结构（晶粒尺寸与形貌、晶界等缺陷的性质、合金化等）的？反之，如何利用微观结构的设计与控制，发展具有新颖性能的纳米材料，以拓宽纳米材料的应用领域？某些传统材料的局域纳米化能否为其注入新的生命力？如何实现纳米材料的功能与结构一体化？如何使纳米材料在必要的后续处理或使用过程中保持结构与性能的稳定性？等等。这些基本问题是进一步深入研究纳米材料及其实用化的关键，也是纳米材料研究被称为"高风险与高回报并存"的原因。
1“金属材料热处理”课程项目的设计
“金属材料热处理”课程内容多而繁杂，且不易自学理解。如果开始就布置综合性很强的项目任务，则学生可能无所适从，或者推进效率低。而如果集中在课程后期实施综合性强的项目，则初期还是需要老师通过集中讲授的方式将主要知识点教给学生，这样就导致学生的上课状态没有太大改变，等到开始项目教学时，学生要么已经将前面所学忘记，要么对突然转变的教学方式无法适应。笔者经过长期实践，认为项目式教学必须与传统集中讲授式教学交替进行，从易到难过渡，这样学生能逐步适应项目式教学，同时由于教学方式的多样性，以及在项目实施过程碰到许多问题，使得上课兴趣大大提高，整体教学效果也比较好。笔者根据所涉知识点的广度和深度，建立了“基础性”、“综合性”和“研究性”三个层次的教学项目。其中，“基础性”项目的设计目的是加强学生对金属材料热处理课程重点内容的感性认识和掌握，使学生初步掌握热处理工艺参数制定的基本原则；“综合性”项目的设计目的是让学生建立起金属材料热处理在金属材料生产过程的地位和作用，系统掌握材料制备全过程中的热处理工艺，提高学生的实践动手能力；“研究性项目的设计目的是让学生“自由选题、自主设计、自主实验”，运用所学知识，针对特定材料设计制定其热处理实验方案，培养科研思维和创新能力。另外，在项目教学期间，穿插组织学生去大型钢铁、有色、先进制造企业热处理车间生产一线参观学习，全面了解材料的生产过程和装备技术，拓展职业视野。
“基础性”项目包括：（1）铝合金固溶时效：了解固溶及时效处理的基本操作、析出产物的形成及析出过程中合金性能的变化；淬火加热温度、保温时间及淬火速度对铝合金时效效果的影响，掌握最佳热处理工艺参数的确定方法。（2）碳钢的基本热处理工艺：掌握钢的退火、正火、淬火、回火的工艺操作方法，了解含碳量、加热温度、冷却速度、回火对碳钢性能的影响规律。（3）低碳钢的渗碳：掌握金相法测定渗碳层厚度的方法，了解表面渗碳热处理后的组织分布特征。（4）Gleeble热-力模拟：利用Gleeble热-力模拟试验机获得金属材料应力-应变曲线，结合组织观测，分析实验结果，了解金属材料在形变热处理过程中变形程度、变形温度和组织与性能的关系。“基础性”项目一般3人一组，完成后每人必须提交研究总结报告。“综合性”项目，主要是基于45号钢，由学生查阅文献，自己完成从热处理工艺的制定和操作、性能检测、组织观察分析和数据分析的全过程。综合性项目一般5人一组，完成后每人必须提交研究总结报告，同时以小组为单位，以PPT口头汇报的形式将过程和实施结果展现给同学和老师。“研究性”项目，主要是学生利用课余的时间，对一些新型金属材料（非常规使用材料，一般为指导教师正在专注研究的材料）的热处理制度进行探索性的实验研究，确定其热处理的温度、实践等工艺参数，使学生具有综合运用热处理课程等所学相关专业知识分析问题和解决问题的能力，培养学生的创新思维和创新能力。“研究性”项目一般5人一组，完成后每人必须提交研究总结报告，同时做PPT口头汇报，接受同学和老师的问询。
2项目教学的实施效果及应注意的几个关键问题
笔者在“金属材料热处理”课程中引入项目教学后，取得了明显效果，主要体现在四个方面：一是激发了学生学习兴趣，加深了对课程内容的理解。学生积极与老师交流，主动通过网络检索查阅资料，通过调研获得项目有关的实践应用方面的信息，深入钻研的精神进一步养成；二是形成了合作学习的良好氛围。小组成员间相互帮助，共同提高和进步，增强了团队合作意识，提高了学习效率；三是产生了成就感，增强了自信心。学生认真完成每个具体的项目任务，解决每个实际问题，内心就会产生成就感，自信心也明显增加，反过来也促进了对理论知识的学习；四是强化了操作技能，锻炼了综合职业能力。由于中小学阶段主要强调的是应试教育，学生的动手能力普遍不强，更谈不上职业能力。项目教学在锻炼学生动手能力方面有立竿见影的效果，对学生适应未来工作岗位非常有好处。总结长期的教学实践，笔者认为要想使项目教学在“金属材料热处理”课程中充分发挥作用，教师应把握好以下几个关键问题。
2.1充分发挥教师的主导作用教师的主要职能应从原来的“教”转变为“导”，具体体现为引导、指导、诱导和教导。教师应帮助学生提出问题、发现问题，但是解决问题和完成任务的主角是学生。对项目实施中遇到的关键知识点，教师应简明扼要地提出，由学生通过自学方式完成。对于部分靠学生自身能力和经验难以理解清楚的或者难以解决的问题，教师要及时给予启发性的辅导，最好不要直接告诉结果。教师要充分激发学生的学习动力，促进学生的自主学习和个性化发展。对于项目中的各个子任务，教师要严格督促学生按时间节点要求保质保量的完成，对项目实施的整体情况要有很好的把控。
2.2充分激发学生的学习主体性在项目教学中，学生不再是被动的学习者，学生的学习拥有很强的阶段目的性。学生为了解决实际问题，可以运用互联网、文本资料、认知工具，或者与同学讨论交流实现对信息的分析和处理，展开思维活动，不再完全依赖教师的讲解。因此，项目教学拥有天然地激发学生自发学习的特点。但是，学生个体在智力水平、思维模式、学习习惯方面存在很大差异，教师应根据每个学生的情况充分激发学习的主体意识，只有这样项目教学的效果才能充分体现，进展起来也会事半功倍。
2.3充分利用计算机网络技术提高教学效果近年，由于计算机网络技术的发展，出现了各种社交软件和云存储软件。其中，使用广泛的社交软件有QQ、微信，云储存软件有金山快盘、百度云盘、360云盘。这些网络软件可以显著改善工作效率。为此，我们在项目教学进行过程中建立讨论组、QQ群、微信群，使项目成员、班级同学之间、学生和教师之间实现零障碍沟通和知识共享，通过金山快盘的协作功能实现组员协同工作，同时教师可以实时跟踪项目进展。另外，像Google学术搜索、中国知网、维普、Sci-encedirect等文献数据库都是获取最新知识的重要工具，教师要有意识地培养学生的文献检索能力。充分利用计算机网络技术一方面体现了课程的与时俱进，另一方面也实实在在地改善了教学效果，开阔了学生的思维视野。
2.4建立更为客观公正的考核制度以往课程成绩主要依据平时作业的提交情况和期末笔试分数给定，考核的主要是学生的记忆力和解题能力，对学生的实践能力、口头表达能力、工作态度等无法考察，这不利于项目教学的实施。为此，我们设计了一套比较可行且客观公正的考核制度：平时作业、期末笔试和项目教学成绩分别占最终成绩的10%、40%和50%。项目教学成绩中按实践能力、口头表达、工作态度、协作能力等10个方面对学生进行打分，打分主体包括教师和学生自己，权重为80%和20%，同时反映实施的结果和过程。
作者：程宏辉吴瑛黄新张敬尧严凯单位：扬州大学机械工程学院江苏省扬州商务高等职业学校
该法是在有一定形状的容器内填满发泡塑料，再倒入高熔点材料，先硬化再加温使发泡塑料气化，然后再模具中倒入液态金属使其冷却、凝合，然后将高熔点材料去掉，就获得了海绵状多孔金属。莫来石、碳酸钙、石膏德尔等为高熔点材料的首选材质。其优势在于金属孔隙率高达80%以上，其缺点在于成本高昂且产量不高，多见于多孔铝、多孔铅的制作。有研究者将聚苯乙烯(EPS)泡沫塑料和水化石墨涂料当做高熔点材料，研发成多孔gdrMGYZ合金。
2基于粉末的制备工艺
2.1粉末烧结法该法是首先将造孔剂和金属粉末混合形成预制体，再通过加热、烧结等方式来制造出多孔金属。还有一种方法是直接在模具中加入粉末，然后通过烧结制成多空金属。其优势在于设备无需太好，烧结需求的温度、气氛和时间等可以调试，在室温下，造孔剂就可完成和金属粉末的混合，制成的多空金属具有孔均匀、整齐、连通等特质，而且孔径小，孔隙率为30%左右。常用来制造多孔钛、铜、铝等材料。目前已经成功研制的产品有：多孔lgiAMS合金、多孔纯钛、利用粉末造孔剂研发的孔隙率在55%～75%之间的多孔钛、多孔Ti-7.5Mo合金、3SCOr发泡剂条件下研制的孔隙率为22.4%的多孔不锈钢。
2.2浆料发泡法该法主要是将金属粉末、活性添加剂、发泡剂搅浑后装进模子，然后利用高温使其在浆料中产生气体，然后利用烧结和晾干而形成的多孔材料。常见于生产多孔镍、铜、不锈钢、铝等。制成的多孔金属孔隙率高达90%以上，且成本较为低廉，而且发泡剂颗粒大小可以决定孔径的大小。有研究者就才曾利用这种方法制成孔隙率高达96%的多孔不锈钢。
2.3空心球烧结法该法是粘连金属空心球后进行燃烧和凝结，然后在其扩散后来制成多孔金属材料，其具有开孔和闭孔的双重功能。有研究者在制造金属空心球的时候会在球的表面再镀一层金属，之后再将树脂去除即可。这种方法的机械性能和物理性能都是提前预算好的，孔的尺寸分布也非常有规律，常用来制造多孔铜、钢、钛。目前最为常见的是孔隙率36%的多孔TAVil64合金。
3基于沉积技术的制备工艺
3.1电解沉积法该法利用电镀工艺，经过化学沉积来获得高孔率开口结构材料金属化。主要过程为现在它的表面电镀一层金属，经过烘焙来使得里面的开口结构材料溶解，然后就能得到多孔金属材料。通常情况下，聚酯、乙烯基、聚酰胺等聚合物是高孔率开口结构材料的首选材质，多为三维网状有机泡沫。现如今，世界上较为流行的生产高孔率金属材料大型制备多选用这种方式来完成。它的优势在于产品孔隙率高达80%以上、且结构和孔隙分布都较为均衡。缺点在于成本比较昂贵，且生产工序非常繁琐，也很耗费时间。一般情况下，多孔镍、铜、银、钴等薄膜材料选用此法来制成。TanKai等利用化学镀铜、电沉积铜等方式成功研制多孔铜。
3.2气相沉积法该法主要指的是液态金属到金属蒸汽的演变过程，一般需在真空、惰性气体等状态下来进行，在网状聚亚胺酯等物上附着后而出现的金属沉积层。然后再经过热处理等手段将这层聚合物清楚，就可以获得通孔金属多孔材料。其优势在于对于任意的金属和合金都使用，且孔隙率可以达到60%～80%。其缺点在于沉积的过程缓慢，设备必须精良且成本昂贵，为此主要用于制备电极材料的制作。有研究者就曾利用该法研发出开孔多孔irelNCFA合金材料。
3.3原子溅射沉积法该法的前提是利用阴极喷射法在惰性气压下，使得高压惰性气体和金属原子在飞溅中冲撞，并且双方互相捕获和凝聚，最后形成金属液滴流入衬底。然后在衬底形成具有均匀包裹气体原子的金属，再加热至熔点，然后保温，使捕获的气体进一步胀大出现孔隙，再进行冷冻就会出现多孔金属材料。这种材料虽然性能和结构都俱佳，但是生产成本过高，不适宜于大批量生产。
4多孔金属材料的应用及展望
1．1镍铬合金镍铬合金曾是我国广泛使用的牙科合金，镍铬合金的抗腐蚀能力不仅与材料组成有关，还与表面氧化膜特性有关，例如氧化膜的组分、厚度、稳定性等。近年来镍铬合金的腐蚀问题已得到了广泛关注［14］。有研究指出，镍铬合金在口内有严重的腐蚀行为并伴随高水平的离子析出。Dekon等［16］的研究发现浸泡于含氟漱口水使镍铬合金的表面粗糙度，镍铬合金的腐蚀程度增加，耐腐蚀性能减弱。Subari等对4种镍铬合金在人工唾液及3种漱口水中耐腐蚀性的研究发现，含氟漱口水中镍铬合金的腐蚀较严重，表明氟离子会降低镍铬合金的耐腐蚀性能。
1．2银汞合金牙科银汞合金耐腐蚀性被认为是因为其表面表浅、纤薄的类膜状结构，此结构主要由氧化锡、水合锡和氢氧化锌组成，此层薄膜的形成和消失会引起银汞合金腐蚀率的改变［18］。有研究结果显示浸泡于人工唾液中银汞合金的表面薄膜仍存在，而浸泡在含氟漱口水中后银汞合金的表面薄膜丧失，表明氟离子会降低银汞合金的抗腐蚀性能［19］。
1．3贵金属合金银钯合金的腐蚀行为与非贵金属合金不同，它与口腔中含有的氯化物硫氢酸根作用形成复合物，在其表面会形成难溶的盐层，释放非贵金属离子极少［20］。但也有研究表明，在含氟漱口水中其表面薄膜可迅速丧失，耐腐蚀性能明显降低，表现出对氟离子的高度敏感性［21］。高贵金属合金有着良好的抗腐蚀性能，Ayad等［22］对不同组分的高贵金属合金的研究表明:其零电势电位和腐蚀电流密度均值的差异无统计学意义。在含氟环境中的研究也证实，氟离子对高贵金属合金耐腐蚀性能的影响相较于非贵金属而言极小［23］。
1．4对比研究不同金属的耐腐蚀性是不同的，而氟离子对它们的耐腐蚀性的影响也有所差异。大量研究表明，氟离子对镍铬合金、银钯合金、纯钛的耐腐蚀性能影响较大，对高贵金属及高钴铬钼合金的影响相对较小，而钛合金中所含金属成分的不同对其在含氟环境中的耐腐蚀性能亦有影响。程玮等［24］通过动电位极化曲线法对钴铬合金、纯钛、高钴铬合金的电化学腐蚀行为的研究发现:氟离子可影响口腔中的钴铬合金、纯钛、高钴铬钼合金的耐腐蚀性，高浓度的氟会降低金属的耐腐蚀性，氟离子对3种合金抗腐蚀性能的影响从大到小依次为:纯钛、钴铬合金、高钴铬钼合金。对3种合金表面粗糙度及形貌的观察也证实:在不含氟人工唾液中，钴铬合金、高钴铬钼合金轻微腐蚀，出现腐蚀孔，而纯钛表面未见明显腐蚀孔［25］。当人工唾液中添加氟离子后，3种金属腐蚀程度增加，且随着氟离子浓度升高而加重，纯钛和钴铬合金尤为明显，可见较大腐蚀孔，高钴铬钼合金较其余两种合金腐蚀轻微。袁俊等［23］运用电化学技术对不同烤瓷合金金属电化学腐蚀性能的研究发现:氟离子环境使经过处理的烤瓷金属的耐腐蚀性能下降，腐蚀速度加快。4种金属的腐蚀电位值排列的顺序为:金合金、纯钛、钴铬合金、镍铬合金，即氟离子对金合金的腐蚀倾向最小，而对镍铬合金最大。金合金与纯钛耐腐蚀性能较强，其次是钴铬合金，镍铬合金最差。此研究中的钴铬合金在含氟环境中的耐腐蚀性能低于纯钛，原因可能是在烤瓷加工后，钴铬合金中的Cr、Mo元素减少，从而使得其耐腐蚀性能下降［26］。Mareci等［21］通过电化学阻抗谱分析法测得银钯合金、镍铬合金、纯钛、Ti12Mo5Ta钛合金浸泡于人工唾液和含氟漱口水后合金表面薄膜情况，同时电镜观察合金表面形貌的变化，发现在含氟漱口水中的金属耐腐蚀性均降低，其中耐腐蚀性能由高到低为Ti12Mo5Ta、纯钛、镍钛合金、银钯合金，浸泡于含氟漱口水中的银钯合金的表面薄膜完全丧失，表明银钯合金在含氟环境中的耐腐蚀性能显著降低，而Mo元素的加入可提高钛材料对氟离子的抵抗性。同时有研究表明在纯钛材料中加入Pt、Pd、Cu、Ag、Cr等元素也可增强钛在含氟酸性环境中的耐腐蚀性能［27－28］。
2影响氟离子对牙科金属耐腐蚀性的因素
2．1氟离子浓度在不同氟离子浓度中，牙科金属的耐腐蚀性能所受到的影响是不同的。研究表明，氟离子的浓度与其对牙科金属耐腐蚀性能的影响成正相关，低氟离子浓度的环境很少对耐腐蚀性能较高的金属(如高钴铬钼合金、金合金等)产生影响，而随着浓度的升高，氟离子的作用则趋于显著，高氟离子浓度对金属耐腐蚀性能的影响明显增加［2，24，29］。
2．2pH值目前已有文献证实在酸性条件下，金属表面的氧化膜生成速度减慢，且更易于溶解，金属的抗腐蚀性能下降。不同学者的研究显示，pH值与氟离子对金属的抗腐蚀性能的影响有着协同作用，在微酸环境中氟离子对金属材料耐腐蚀性的影响增大，偏酸性的人工唾液可加快金属和氟的反应而加速其腐蚀，氢离子浓度的增加还可使金属表面钝化速度减慢而降低其抗腐蚀性能。
2．3表面处理一般把金属表面防护和改性称之为金属材料表面处理，恰当的表面处理可以改善牙科合金的耐腐蚀性。翁维民等［36］的研究发现镍铬合金表面的氮化钛涂层能提高镍铬合金在含氟环境中的耐腐蚀性能，同时也可提高其耐磨性。在钛金属表面制备致密的氮化钛硬质薄膜，也可隔绝氢氟酸与钛金属的接触，镀膜后钛金属表面腐蚀倾向减小，腐蚀速度减慢，耐腐蚀性增加。对纯钛进行阳极表面氧化处理的研究也证明，阳极表面氧化处理可增强纯钛在含氟环境中的耐腐蚀性能。
2．4其他因素口腔是个复杂的环境，氟离子对牙科金属耐腐蚀性的影响也受到众多因素的影响。除氟离子浓度、pH值及金属的表面处理外，氧含量、蛋白质等均影响着氟离子对牙科金属的耐腐蚀性。Nakagawa等的研究证实，在低氧浓度下即使低浓度的氟离子都会促进钛及钛合金的腐蚀，降低其抗腐蚀性能。对高钴铬钼合金、钴铬合金的研究也发现在低氧浓度下氟离子对金属耐腐蚀性能的影响显著增强。Ide等发现低浓度的白蛋白就能抑制氟离子对钛的腐蚀作用，其原理是蛋白质可迅速附着于钛及其合金表面的氧化膜上，隔绝氟与钛的接触。
1地方本科院校实现金属材料工程专业人才培养目标的路径
1．1构建专业课程体系，科学配置理论、实践和创新教学内容课程体系建设是地方本科院校金属材料工程专业应用型创新人才培养的重要环节之一。基于应用型金属材料工程专业创新人才对基础理论、工程实践与技术创新和谐发展的目标要求，对金属材料工程专业现有教学体系进行梳理，合理规划基础知识、专业知识以及实践与创新能力培养等相得益彰的教学内容，统筹规划各阶段课程安排［2］。通过架构科学的金属材料工程专业知识体系，全面提高学生运用知识解决工程实际问题的能力和创新意识，改善金属材料工程专业教育教学质量。我校金属材料工程专业课程体系框架见表1。课程体系中，第一和第二学年以数理类基础课程、电学与计算机基础课程、力学机械类基础课程为主，通过少量专业基础课程的设置，对金属材料工程专业有初步认知。第三阶段和第四阶段主要以专业知识学习为主，确定了以金属材料的组成与结构、制备、性能与应用以及材料的表征为核心课程，涵盖若干专业理论课程和实践项目的金属材料工程本科专业课程体系。
1．2强化实践教学，突出实践能力和创新能力培养地方本科院校金属材料工程专业应根据专业人才培养目标，加大实践环节的比重，构建以能力为本位、突出学生实践能力的系统化的实践教学体系。我校金属材料工程专业课程体系中，以实践项目为载体进行实践教学，结合“三性”实验等多层次实验教学内容的合理配置，实现知识到能力的转化，以提高学生的工程能力［3］。地方本科院校金属材料工程专业可以实施“大学生创新创业能力培养工程”项目，实行本科生导师制，举办科技作品大赛，引导学生参加导师课题。通过组织协会、开办论坛讲座、举办创业大赛等形式开展创业教育、创业培训、创业实习，以学生创业促进学生就业。以地方科技园的资源优势为平台，鼓励在校研究生和大学生自主创业，实现自我价值。我校金属材料工程专业的教师以江苏省“材料表面技术”重点实验室、常州市“先进金属材料和制备技术”重点实验室为科研平台，开放材料科学与工程省级实验教学示范中心，从科研项目中提炼综合性实验项目，拓展学生创新能力培养途径。近三年指导学生参加了国家和省级大学生创新项目7项，鼓励学生参加大学生金相技能大赛，两次荣获一等奖，创新成果丰富，效果明显。
1．3加强与地方产业、行业、企业的互动，促进产学研合作，整合金属材料工程专业人才培养资源通过与材料和工程技术领域的重点企业紧密的产学研合作，形成高校与企业协同培养金属材料工程专业应用人才的机制。根据企业对人才知识结构和综合能力的要求，改革专业课程设置和课程教学内容，强化实践教学环节，增强学生创新能力和工程应用能力。建设大学生和研究生实践教学基地和实验教学平台，建设企业研究生工作站，聘请企业高级工程技术人员担任“产业教授”和“兼职硕导”，联合指导本科生和硕士研究生，从而为江苏省培养科研及实用型经济建设人才。目前，我校金属材料工程专业与南方轴承、江苏国强镀锌实业有限公司、常州鑫隆复合材料有限公司、常州中钢精密锻材有限公司等几十家公司建立了良好的合作关系。分别从铸造及轧制技术、热交换器焊接技术、金属材料热处理、新型镀锌合金成分优化、材料失效与防护等方面承担了多项产学研项目，不仅解决了企业的关键材料和工艺等技术问题，而且为人才培养提供优质的教学和科研条件保障，促进了教学与科研的有机衔接。
2结语
地方本科院校金属材料工程专业应坚持以“就业为导向”的原则，建立人才培养结果信息反馈制度，根据用人单位对毕业生的反馈意见以及市场需求，调整人才培养方案和教学内容，实现人才培养与地方经济需求的有效对接。
作者：刘亚王建华苏旭平魏坤霞单位：常州大学材料科学与工程学院
关键词：地方性高校；金属材料工程；培养模式
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）37-0075-02
材料是整个人类社会的物质构造基础，材料科学归属于基础性科学，也是先进工业技术改革的推动力，它作为材料科学与工程这样一个材料大学科的重要分支之一，即金属材料工程，该本科阶段教育的目的是可以较好地教育出适应工业经济和科技发展要求的高技术工程人才，人才培养与社会发展需求之间的对接要引起注重，强调在教学过程中结合专业基本理论和实践操作能力、掌握先进知识和培养创新能力、创新和实践能力的高级应用科学和技术的专业人才。因此，当地的学院和大学金属材料工程应用型本科人才培养模式的改革具有重要的现实意义。
教育部对新建本科院校的重点应转移到提高学校的教育水平，学校应牢牢把握区域经济发展的人才培养、科学研究和社会服务等实际需要，培养应用型工程为主，多元化的人才培养规格和模式。金属材料工程应用型本科院校专业人才的培养，如何满足区域社会经济和工业技术的发展，如何培养相对具有坚实的专业理论基础和较强的创新思维和实践能力的高级工程技术人才，是国内地方高校目前各种材料专业建设面临的主要研究课题。
一、高校材料类本科专业人才培养现状
目前，我国本科教育，特别是地方高校教育普遍存在的问题是严重缺乏创新意识和创新能力，难以适应快速发展的人才市场需求。一方面，在实际教育过程中，学校注重理论教育，轻视实践操作技能培训，只满足在现有知识的记忆和再现，不能使用知识大胆创新探索。另一方面，学生毕业后进入社会，在面对不断变化的科学技术和先进的生产手段的实际工作中遇到的创新主题，从自己的知识储备的质量和能力方面，似乎严重不足。
近年来，材料科学与工程教育改革在中国发展迅速，许多高等院校材料从人才培养模式、课程体系、教学内容、实验教学体系和教学方法等许多方面进行了大胆的改革和创新。材料科学与工程一级学科，在淡化专业个性教育模式的基础上，构建“大学科”主题共用知识，培养面宽，在高质量研究型人才培养方面取得了一些好的经验和成果。对于“985工程”和“211工程”院校可能很适合，但对于生源差和科研实力不高的地方高校而言，不能盲目地复制其他重点大学的改革模式。
二、地方性高校金属材料工程专业培养模式
1.地方性高校金属材料工程专业定位。金属材料工程是工业经济发展的重要支柱，在航空航天工业、能源化工领域、国防军工方面、冶金机电行业均发挥着相当重要的推动作用。如何依托地方，为地方工业经济发展培养具有金属材料工程专业背景知识的应用型创新人才，是目前国内高校金属材料工程专业建设面临的重大课题。地方本科院校金属材料工程专业人才培养应基于地域化目标定位，结合自身资源条件和区域工业经济发展对人才的需求状况，构建金属材料工程本科专业人才的培养体系，并通过突出地方特色培养金属材料工程专业人才的核心竞争力。
根据江西省新材料产业和工程技术发展的实际需要，为江西省材料产业和工程技术发展储备工程技术人才；同时增进学校与政府、与金属材料表面技术行业、金属材料热处理行业以及相关企业之间的互动，联合培养应用型人才。此外，通过理论与实践教学相结合，以创新实验项目为载体，突出创新能力的培养；以企业工程项目为载体，培养工程应用意识，提升工程方面的素质和能力，出于这种原因，我校金属材料工程专业人才培养的主要目标定位是：具备金属材料工程领域的基础知识，了解材料科学与工程领域的相关专业知识，能在材料制备与质量检测分析、金属材料热处理、钢铁冶金与机械加工企业和相关行业工作，适应社会主义经济发展的高层次、高素质的应用型创新人才。
2.地方性高校金属材料工程培养模式。金属材料工程建设将学校的现实与当地区域经济发展相结合，坚持技术应用研究人才培养目标定位，从而有效地开展错位竞争、拓展生存和发展空间较大的专业。根据培养目标，积极探索切实可行的人才培养体系、机制和人才培养模式。人才培养模式改革是各种教学过程改革的重中之重，应该遵循高等教育的发展规律，仔细研究适应未来高等教育的科学发展趋势，根据培养高素质人才的总体要求，建立起能够充分激发在校大学生的学习主动积极性和创新创业精神，能使学生的个性得到充分发展，同时也能整体增长知识、能力和素质，具有新时代新特征的多样化应用型高层次工程人才培养模式。
结合地方经济的工业发展，九江学院的金属材料工程专业在整个教学体系中，理论主干课程包括物理化学、电工电子学、材料科学基础、金属工艺学、热处理原理、热处理工艺及设备、金属材料学、材料研究方法、材料失效分析、材料力学性能、金属材料工程专业综合实验。与此同时，开设了两个专业方向，（1）金属材料塑性成型与模具方向：金属塑性成形原理、锻造工艺及模具设计、冲压工艺及模具设计、挤压工艺及模具设计、模具CAD/CAM软件应用、模具制造工艺学、Pro/E造型及模具设计、压铸工艺及模具设计。（2）金属材料热处理与测试方向：先进材料制备技术、粉末冶金原理、无损检测、材料的腐蚀与防护、冶金质量分析、材料物理性能检测、材料表面技术工程、先进复合材料。为了配合理论教学，大量安排实践性课程与之配套，让学生能够利用理论知识解决实际工程技术问题，实践性教学课程主要包括金工实习、金属材料专业实验、热处理工艺及设备课程设计、粉末冶金原理课程设计、材料表面技术课程设计、生产实习、毕业实习、毕业论文（设计）等。
三、地方性高校金属材料工程专业培养模式改革创新
1.培养模式进行改革探索。作为地方性高校的金属材料工程本科专业，应该充分认识到地方性区域工业经济未来发展对自己学校所设置的金属材料工程本科专业人才的确实需求，根据该本科专业的定位和特色，确定专业人才培养模式。金属材料工程专业的培养模式要从我校的实际出发，根据目前九江及周边区域工业经济与本专业相关单位的现状及发展，在原有培养模式的基础上，逐渐将原有的一味培养技术应用型人才过渡到应用技术研究创新型人才的培养目标和定位，这样才能有效地开展多层次培养，避免将学生培养成一个模子技能的技术人才，根据学生的特色，因材施教，拓展专业培养的发展空间，形成专业的办学特色，形成应用技术研究创新型多层次人才的培养新模式。
2.授课体系进行改革修订。为了能更好的对金属材料工程应用型本科人才培养计划和课程进行改革，我们在现有基础之上进行了以下准备性的工作：在相关大学进行调查研究，学习专业课程体系建设的成功经验，探索课程建设的内涵和专业内容集成优化，访问有关材料企业，了解社会对金属材料工程本科专业所需要的新知识、新能力和高素质要求，对九江学院近几年毕业的金属材料工程专业的学生进行系列性的跟踪调查，了解就业单位对我们学校该专业毕业生的满意程度，以及该专业毕业生对现有的人才培养模式、课程体系、专业教学知识点的意见及建议，邀请校内外知名教学专家，召开系列专家指导会，制定该本科专业课程体系和专业教学知识点方面改革的确实可行的方案，撰写新的人才培养方案，专业教学大纲内容将随之进行整合优化。专业主干基础课程建设得以加强，并根据区域经济发展的社会需求，设置相应并可行的必修课程，同时形成金属材料热处理与测试方向、金属材料塑性成型与模具方向两个具有一定地域工业特色的专业方向，使该专业的在校大学生形成比较完整的基础性知识及社会所需要的专业性知识。
3.配套平台进行改革探索。为配合模式及课程改革，必须对教学及研究平台进行更新建设，充分并有效地发挥本专业的专业实验室设备优势。近两年，本专业在原有实验设备的基础上，通过多渠道项目经费购置了200多万元的教学兼科研实验设备，满足了本专业各种专业理论课程的配套实践性教学需要。目前，九江学院金属材料工程的专业实验室有：表面技术实验室、粉末冶金材料及工艺实验室、材料化学制备实验室、材料物性检测实验室、材料热处理实验室、金相制样及分析实验室、铸造技术实验室、材料力学性能实验室和材料微纳结构分析实验室。通过这一系列实验平台的建设，金属材料工程专业的发展将得以支撑。根据本专业的特色，在九江和周边地区与九江新联传动机械有限公司、九江森源科技有限公司、九江博德新材料研究公司、九江奥盛钢缆科技有限公司等企业进行实质性地合作，建立产学研及学生实习见习基地，并聘请企业技术骨干和学校教师联合指导毕业论文（设计）工作，学生的实践操作能力和工程技术应用能力得以较好的培养。
[论文摘 要] 本文从三个方面论述了热处理工艺在提高金属零件的制造水平中的作用。
引言
在现代工业生产中，金属零件的制造是一个重要的环节，具有举足轻重的作用，因此提高金属零件的制造水平成为一项不可缺少的工作。而在金属零件的制造过程中，热处理工作又是提高其制造水平的重要措施。在设计工作中，正确制定热处理工艺可以改变某些金属材料的机械性能。而不合理的热处理条件，不仅不会提高材料的机械性能，反而会破坏材料原有的性能。因此，设计人员应根据金属材料成分，准确分析金属材料与热处理工艺的关系，制订合理的热处理的工艺，合理安排工艺流程，才能得到理想的效果，提高金属零件的制造水平。
在现代工业生产中，广泛使用的金属有铁、铝、铜、铅、锌、镍、铬、锰等。但用得更多的是它们的合金。金属和合金的内部结构包含两个方面：其一是金属原子之间的结合方式；其二是原子在空间的排列方式。金属的性能和原子在空间的排列配置情况有密切的关系，原子排列方式不同，金属的性能就出现差异。
为了得到更好的金属性能，满足制造和使用要求，我们将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度在不同的介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来改变其性能，这就是金属材料热处理过程。
不同的热处理条件会产生不同的材料性能改变效果，下面从3个方面来说明热处理工艺在提高金属零件的制造水平中的作用。
一、提高金属材料的切削性能和加工精度
在各类铸、锻、焊工件的毛坯或半成品金属材料的切削过程中，由于被加工材料、切削刀具和切削条件的不同，金属的变形程度也不同，从而产生不同程度的光洁度。各种材料的最佳切削性能都对应有一定的硬度范围和金相组织。为了得到最佳切削性能，就要求被加工材料具有合适的组织状态，这就要用到预先热处理。
通过预先热处理，可以消除或减少冶金及热加工过程产生的材料缺陷，并为以后切削加工及热处理准备良好的组织状态，从而保证材料的切削性能、加工精度和减少变形。
举例1：齿坯材料在切削加工中，当齿坯硬度偏低时会产生粘刀现象，在前倾面上形成积屑瘤，使被加工零件的表面光洁度降低。而对齿坯材料进行正火＋不完全淬火处理，切屑容易碎裂，形成粘刀的倾向性减少。并随着齿坯硬度的提高，切屑从带状向挤裂状过渡，从而减少了粘刀现象，提高了切削性能。
举例2：铝合金在加工过程中，通常都是先经强化处理（固溶处理＋时效；时效），这样可以得到晶粒细小、均匀的组织，比铸态或压力加工状态的切削性能好，不仅改善了切削性能，而且同时提高了机械加工精度。
二、提高金属材料的断裂韧性
金属材料的断裂韧性指含有裂纹的材料在外力作用下抵抗裂纹扩展的性能。提高金属断裂韧性的关键是要减少金属晶体中位错，使金属材料中的位错密度下降，从而提高金属强度，而减少金属晶体中位错的一种重要方法，就是细晶强化，其原理是通过细化晶粒使晶界所占比例增高而阻碍位错滑移从而提高材料强韧性。而金属组织的细晶强化的过程实际上就是金属热处理。
在金属热处理过程中，当冷变形金属加热到足够高的温度以后，在一定的应力和变形温度的条件下，材料在变形过程中积累到足够高的局部位错密度级别，会在变形最剧烈的区域产生新的等轴晶粒来代替原来的变形晶粒，这个过程称为再结晶。再结晶晶核的形成与长大都需要原子的扩散，因此必须将变形金属加热到一定温度之上，足以激活原子，使其能进行迁移时，再结晶过程才能进行。
那么，对于不同的金属材料，我们就可以通过控制不同的热处理的温度，来提高金属材料的断裂韧性。
举例：在sy钢坯料上线切割适当的小圆柱，机加工后，选择在700℃，800℃，900℃、1000℃和1100℃在cleeble-1500型热模拟试验机上以5×10-1的变形速率保温30s压缩变形50％，然后在空气中冷至室温，再进行680℃×6hac(空冷)的退火处理，再将压缩后的试样沿轴向线切割剖开，研磨抛光后用化学物质显示晶粒形貌。实验现象为：在700℃时，扁平的晶粒开始逐渐向等轴晶粒的形状变化。800℃变形的晶粒中等轴晶粒已经有少量出现，但仍然以变形拉长的晶粒为主。在900℃变形开始，晶粒突然变得细小，几乎全部为等轴晶粒，晶粒度达到ybl2级。在900℃以上．晶粒开始长大。因此，对此种钢来说，900℃左右温度进行热处理，可以提高其断裂韧性。
三、减少金属材料的应力腐蚀开裂
金属材料在拉伸应力和特定腐蚀环境共同作用下发生的脆性断裂破坏称为应力腐蚀开裂。大部分引起应力腐蚀开裂的应力是由残余拉应力引起的。残余应力是金属在焊接过程中产生的。金属在加热时，以及加热后冷却处理时，改变了材料内部的组织和性能，同时伴随产生了金属热应力和相变应力。金属材料在加热和冷却过程中，表层和心部的加热及冷却速度(或时间)不一致，由于温差导致材料体积膨胀和收缩不均而产生应力，即热应力。在热应力的作用下，由于冷却时金属表层温度低于心部，收缩表面大于心部而使心部受拉应力：另一方面材料在热处理过程中由于组织的变化即奥氏体向马氏体转变时，因比容的增大会伴随材料体积的膨胀，材料各部位先后相变，造成体积长大不一致而产生组织应力。组织应力变化的最终结果是表层受拉应力，心部受压应力，恰好与拉应力相反。金属热处理的热应力和相变应力叠加的结果就是材料中的残余应力，正是其存在造成了应力腐蚀开裂。
举例：金属热处理中，通过控制淬火冷却速度，可以显著地控制淬火裂纹，为了达到淬火的目的，通常必须加速材料在高温段内的冷却速度，并使之超过材料的临界淬火冷却速度才能得到马氏体组织。就残余应力而论，这样做由于能增加抵消组织应力作用的热应力值，故能减少工件表面上的拉应力而达到抑制纵裂的目的。
3、结论
金属材料的热处理在机械零件制造中占有十分重要的地位，在金属材料加工的整个工艺流程中，如果将切削加工工艺与热处理工艺进行密切配合，将有效地提高金属零件的制造水平。
参 考 文 献
[1] 雷声，齿轮热处理变形的控制.机械工程师.2008年5期.
【关键词】 金属多孔材料 压缩行为 能量吸收性质
作为一种新型功能材料和结构材料，金属多孔材料具有一系列其它材料不可比拟的特点和优点。金属多孔材料所具备的渗透性强、过滤与分离性良好、密度低、能量吸收力强、高温抵抗力强、抗冲击能力强、吸声性能良好、比表面积大等优点，使之逐渐成为了目前世界材料研究与创新领域的焦点和热点。
目前金属多孔材料的身份和地位已经不再是作为简单的工能性材料存在，而是成为新型功能材料与新型结构材料的结合体。要想对金属多孔材料的力学性能展开研究，就不能不提到金属多孔材料力学性能的基础——压缩性能。在实际金属多孔材料的应用与理论研究中，压缩性能是一个不可或缺的关键指标，不容忽视。金属多孔材料基本上包括三大种类——泡沫金属多孔材料、粉末金属多孔材料和金属纤维多孔材料。国内、国外材料应用领域对金属多孔材料的压缩性能、压缩性能与多空金属材料性质之间的关系、压缩过程中金属多孔材料的能量吸收性质的研究主要针对的也是上述三大金属多孔材料种类。
1 认识金属多孔材料的压缩过程及压缩变化
金属多孔材料的压缩应力——应变曲线包括三个环节：（一）线弹性区，（二）屈服平台区，（三）致密化区。金属多孔材料发生压缩变化时，在其整个压缩过程中会表现出比一般聚合物多孔材料更为优质、更为明显的能量吸收能力和抗击打能力。在金属多孔材料中的压缩过程中，决定其能量吸收能力和抗击打能力的分别是屈服平台区的面积和线弹性区面积。假设材质相同的话，屈服平台区面积越大，金属多孔材料的的相对密度也会加大，而相对密度的增加又提升了材料的压缩应力，因此，金属多孔材料的能量吸收能力也会随之变大。同时，线弹性区面积的增加也会提升金属多空材料的相对密度，进而增强材料的抗击打和抗冲击能力。
2 分别研究三大金属多孔材料的压缩性能
对金属多孔材料压缩性能的研究基本上涉及——泡沫金属多孔材料、粉末金属多孔材料和金属纤维多孔材料这三大种类。下面，我们将分别就每一类金属多孔材料的压缩性能展开具体论述。
2.1 泡沫金属多孔材料的压缩性能研究
在泡沫金属多孔材料的压缩性能研究中，研究成果最丰富的是对泡沫铝压缩性能的研究。从上文中我们已经得知，金属多孔材料的压缩应力—应变曲线包括三个环节：线弹性区、屈服平台区和致密化区，并且金属多孔材料的能量吸收能力和抗击打能力均与材料表现出来的相对密度有关。在对以泡沫铝为代表的泡沫金属多孔材料进行压缩性能研究时，发现不管是在静止压缩状态下，还是在运动压缩状态下，事先经过熔浸工艺处理的泡沫铝的压缩强度和弹性模量在受材料相对密度制约的同时，还明显的受到单元胞尺寸大小的影响。除此之外，还发现一个关键点，那就是泡沫的应变能力很强，对应变速率表现出比其他材料更为强烈的警惕性和敏感性。
作为一种新型的，集功能性与结构性于一体的金属多孔材料，复合泡沫材料与泡沫金属多孔材料的压缩性能和力学性能变化态势是完全一致的。以SiCp/AlSi9Mg复合泡沫材料为案例进行实验分析的话，我们发现当材料的应变速率出现递增变化时，SiCp/AlSi9Mg复合泡沫材料的屈服强度也表现出递增变化的趋势。也就是说，在SiCp/AlSi9Mg复合泡沫材料的压缩过程中，应变速率越大，屈服度越强。
计算机应用技术和计算机模型技术，可以对金属多孔材料的结构设计和试验方案制定提供技术指导。我们要想充分客观的了解金属多孔材料孔外壁的泡沫拓扑学和粘弹性质以及泡沫铝纵向和横向的塑性破坏应力，就必须要借助于泡沫的粘弹性动态模型的建立和研究。通过建立泡沫的粘弹性动态模型，进一步建立起泡沫压缩应变模型，有助于我们在摆脱泡沫孔直径、外观外貌等因素制约的前提下，客观探讨常规渗透性与许用应变之间的联系。
Zn—22Al多孔材料是采用熔体发泡工艺制备的，其中对Zn和22Al的压缩性能能够产生重大作用的是氧化铝短纤维。Zn—22Al多孔材料延展性能较之其它材料更为优越，其多孔材料的相对密度大小在很大程度上决定了其压缩屈服强度的大小。上文中我们提到所有金属多孔材料的压缩应力—应变曲线包括三个环节：（一）线弹性区、（二）屈服平台区、（三）致密化区，Zn——22Al多孔材料同样也是如此。所制备多孔材料的塑性破坏应力与相对密度之间呈正比例相关关系，即相对密度变大，所制备多孔材料的塑性破坏应力也随之变大。
金属多孔材料虽然具有渗透性强、过滤与分离性良好、密度低、能量吸收力强等优点，并借助这些优点成功吸引了目前世界材料研究与创新领域的青睐和关注。但是，也并非因此就可以说金属多孔材料是完美无瑕的。金属多孔材料在实际应用中存在小孔外壁龟裂、破碎、小孔外形外貌不均匀、小孔排列位置不规整等一系列结构和外形上的缺陷。在一定环境下，这些结构上的缺陷会严重制约金属多孔材料压缩性能的正常发挥。鉴于此，金属多孔材料压缩性能提升的一个关键途径就是创新材料制备技术，减少材料的结构和外形缺陷。在高应变速率下，泡沫铝合金的压缩行为更为激烈。由此我们可知，凭借强烈的应变速率感知力，在运动应变压缩过程中，平台区应力产生了应变硬化。
泡沫Al—Mg合金是通过累积叠轧焊工艺制成的。在泡沫Al—Mg合金的压缩行为变化过程中我们得出的一个重要结论是：金属多孔材料的压缩性能会很大程度上受到不同加载轴的影响和制约。各向异性的破坏行由外形特征各不相同的各向异性单元胞导致。与其它加载方向上的屈服应力相比，由于泡沫Al—Mg合金是通过累积叠轧焊工艺制成的，所以其法线方向上的屈服应力要明显小得多。很大程度上能够影响甚至某些情况下决定闭孔泡沫铝压缩性能的是金属多孔材料的密度和测试温度，在破坏行为和破坏机制中起关键作用的是作用在单元胞上的屈服载荷。
在泡沫铝动态压缩过程中，能够对其压缩性能产生影响的因素主要有三种：第一、塑性破坏，第二、平台区的应力，第三、进入致密化区的应变。同时，这三大因素也是金属多孔材料的压缩应力—应变曲线和动态脉冲力的最重要指标，相关单元模型的受力方向和加载速率则在相当大的程度上决定了动态响应。即便是处在运动的冲击、阻抗状态下，处在Z轴上的密度梯度试样照样能够产生强烈的、塑性指数较高的破坏载荷。除此之外，借助压缩性能试验和泡沫铝的模量数据分析、对比，我们在对闭孔泡沫铝的模量进行描述时，可以利用几个经验公式。在泡沫铝单轴压缩的压缩行为过程中，压缩应力—应变曲线的工程应变指数可达到0.9。作为密度的函数，屈服应力的大小则在很大程度要受泡沫铝材料相对密度的影响和控制。采用熔体发泡工艺制备的纯泡沫铝与采用累积叠轧焊工艺制备的泡沫Al—Mg合金相比，在理论模型的建立和压缩试验结果的匹配上表现出更优质的吻合性。
泡沫铝平台区应力与材料的相对密度以及抗击打能力和能量吸收能力呈正比例关系。既泡沫铝的相对密度变大，平台区应力也变大；平台区应力变大，则泡沫铝的抗击打能力和能量吸收能力都会逐渐变大。
2.2 粉末金属多孔材料的压缩性能研究
不管是泡沫金属多孔材料，还是粉末金属多孔材料还是下文中将要提到的的金属纤维多孔材料，它们在压缩行为实验中都表现出相同的压缩模型。与存在小孔外壁龟裂、破碎、小孔外形外貌不均匀、小孔排列位置不规整等一系列结构、外形上的缺陷的泡沫金属多孔材料和杂乱无章的金属多孔材料相比，采用高温烧结工艺制备而成的粉末金属多孔材料，再加入造孔剂后制出的材料孔型孔貌均可受到控制。
利用粉末冶金技术，填料则选取碳酸钠颗粒，制备孔隙度在0.778 -0.82之间的多孔钯，把应变速率控制在0.001-0.1范围内，发现多孔钯的压缩应力—应变曲线的弹性区面积相对较小。然后进入面积狭长、外形倾斜的平台屈服区，在18兆帕斯卡及18兆帕以下时，多孔钯进入致密化区。多孔钯平均致密化应变约0.5，对应变速率和相对密度，屈服强度则表现出强烈的敏感性。
由于孔隙度为0.2-0.5的烧结多孔铜的压缩性能主要受到孔的数量和孔的形状、形态的影响，所以低孔隙度试样中的压缩性能与高孔隙度试样中的压缩性能差异性很大。烧结多孔铜的磨损率很大程度上取决于孔隙度、试验应力和滑动速度等因素，而其中对烧结多孔铜的磨损率影响最为突出的则是孔隙度和试验应力。
采用粒度在45微米以下的铜粉末和聚甲基丙烯酸甲酯作为造孔剂，制备形状、尺寸、数量、大小都可以人为控制的低孔隙度烧结多孔铜。制成的的多孔铜的孔隙度范围为在0.05～0.5范围内移动，孔径则在200微米～500微米范围之间，粒度在45微米以下的粉末，制备多孔铜的孔结构多为开孔；粒度在15微米之下的粉末，制备的多孔铜的孔结构除了大多是是开孔外，还存在极少数量的闭孔。综上可知，制备多孔材料时更为适宜的材料是粒度在45微米之下的铜粉末。粒度在45微米之下的铜粉末制成的多孔材料表现出如下的力学性能：孔隙度逐渐增加，多孔材料的相对弹性模量呈现出降低变化的态势；屈服强度与孔隙度呈线性相关关系。
相对密度约大约为0.3的钛锆合金多孔材料是采用粉末冶金方法制备而成。钛锆合金多孔材料中的交错多孔结构与自然骨非常相似，除此之外，小孔结构和材料的力学性能也都与自然骨表现出明显的接近性。钛锆合金多孔材料的小孔直径在200—500之间，其压缩平台应力为78.4帕，其弹性模量为15.3吉帕。
2.3 金属纤维多孔材料的压缩性能研究
金属纤维多孔材料的压缩行为和上文中提到的泡沫金属多孔材料的压缩行为之间存在很多共性。与孔壁不规整、不均匀的泡沫金属多孔材料不同的是，金属纤维多孔材料的内部结构中，可以凭借金属纤维丝径将材料孔壁的直径控制成为相等的数值。所以，金属纤维多孔材料的压缩性能、能量吸收能力都比孔壁不均匀的泡沫金属多孔材料更为强大。
多孔钢丝网在压缩行为的变化过程中，也具有一定程度的弹塑性。当多孔钢丝网的在0.3390时，其屈服强度为46.9帕，其弹性模量为1.42吉帕；当多孔钢丝网的增加为0.5627时，其屈服强度降低为14.8帕，其弹性模量降低为0.42吉帕。可见，孔隙度与多孔钢丝网屈服强度和弹性模量之间的变化趋势呈反比例相关关系，即屈服强度和弹性模量会随着材料空隙度的变大而降低。
3 分析影响金属多孔材料压缩性能的主要因素
从计算机模型的建立和实践数据分析可知，对金属多孔材料的压缩性能能够产生作用和影响的包括以下几种：材料的相对密度、单元胞尺寸、孔隙度、应变速率、烧结工艺、材料结构缺陷、温度、孔型貌、制备工艺、热处理工艺等等。受所制备的金属多孔材料材质、性能、本身结构等影响，同样的制约因素并不会对压缩性能产生相同的影响。金属多孔材料的压缩机制与致密金属的压缩机制差异性格外明显，尤其是材质不同、材料制备方法不同，金属多孔材料的性能也不同。
对金属多孔材料压缩性能产生影响的一个非常关键的因素是热处理工艺。锻造铝合金AA606l经过热处理后，与热处理之前相比，其压缩性能和压缩强度能够提高将近80%；采用定向凝固法制备的藕状多孔纯铜的压缩性能存在明显各向异性，与采用其它方法制备的金属多孔材料进行对比，采用定向凝固法制备的金属多孔材料压缩屈服应力更为明显。
纵观国内外材料学研究领域，研究时间最早、理论体系最成熟、研究成果最丰富的当属对泡沫铝静态压缩性能和动态压缩性能研究。尽管泡沫铝在压缩过程中呈现出优越性极强的压缩应力和能量吸收能力，但其屈服应力却不是很高。因此，相对较低的屈服应力成为制约泡沫铝在材料应用领域大展手脚的瓶颈所在。
4 金属多孔材料压缩性能研究中存在的不足
由于金属多孔材料所具备的渗透性强、过滤与分离性良好、密度低、能量吸收力强、高温抵抗力强、抗冲击能力强、吸声性能良好、比表面积大等优点，与材料的压缩性能密切相关，且金属多孔材料的身份已向功能材料与结构材料的结合体方向上转变。因此，研究金属多孔材料压缩性能成为研究材料力学性能的基础环节。然而，在研究金属多孔材料压缩过程中还存一些问题需要我们解决。泡沫铝在静态压缩过程中和在动态压缩过程中，压缩应力普遍不高，成为限制泡沫铝在工业领域大展手脚的限制因素，而目前大多数的金属多孔材料都是以泡沫铝为材料制成的，这无疑限制了金属多孔材料的广泛应用。在实际应用时，可采取热处理工艺提高其压缩强度和压缩性能。另外，还存在一个亟待研究、解决的问题就是目前国内外对金属多孔材料压缩性能的研究主要还停留在单轴压缩方面上，缺少对金属多孔材料多轴压缩性能的深入研究，需要我们进一步探索。
5 结语
金属材料的实际应用范围在日渐扩大，材料领域对金属材料的功能性要求也越来越高，对金属材料力学性能的研究也越来越广泛。金属多孔材料压缩性能的研究还存在巨大的开发空间，值得我们为之创新、探索。
参考文献：
关键词金属材料；热处理；合金
一、《金属材料与热处理》课程的特点
《金属材料与热处理》是中职机械类专业的一门专业基础课，是专业课学习的前导课程，并为专业课的学习提供必要的理论知识。该课程具有：
（1）内容庞杂、理论性强，名词概念多。该课程涉及冶金学、金属学、材料学、力学、物理学、化学及工艺学等多方面的基础知识，是一门综合性很强的课程，其中每一章节均涉及大量的新概念和新名词。
（2）课程实践性强，与生产实际关系密切，相关理论在生产实践中有很大的灵活度和综合性。
（3）相关理论的系统性强，结构严密，前后内容密切相关。
该课程在学习过程中，有一定的难度，需要教师运用多种教学方法，充分激发学生的学习兴趣，注重学生分析、综合与总结能力的培养。因此，《金属材料与热处理》课程中的第一节课“绪论”就显得非常的重要。
“绪论”对于本教材的作用如同广告对于产品的作用，首先要激发学生对本学科的学习兴趣，其次，要让同学们知道在这门课中我们将学习哪些知识，这些知识在今后的工作中有哪些具体的用处。如告诉学生，通过本课程的学习，可使同学们具有根据零件的使用要求选择零件使用材料的能力，使生产的零件具有较高的性价比，增加零件的市场竞争能力。通过本课程的学习，使同学们初步具有选择钢材热处理方法的能力，充分挖掘材料的潜能，更优化合理地应用材料。通过本课程的学习，还使同学们初步具有选择零件毛坯成形方法的能力等等。以激发学生对掌握这些知识的渴望。
二、《金属材料与热处理》课程 “绪论”一章的具体教学过程
1.介绍本课程名称的含义
（1）金属材料：是金属及其合金的总称。金属：是指由单一元素构成的具有特殊光泽、延展性、导电性、导热性的物质。如：金、银、铜、铁、锌、铝等。合金：是指由一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法合成的具有金属特性的材料。
（2）热处理：就是对固态的金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺。
2.金属材料学科在国民经济中的地位
纵观人类的文明史，从某种意义上说就是一部人类认识材料和使用材料的发展史。从远古到现代，人类从最初的石器时代已经发展到了当今的人工合成材料时代。每一种新材料的研制成功，都会对相关领域科技发展起到积极地促进作用。如：中南大学研制生产的高性能碳材料，已成功应用于“神六”飞船的制动系统，使我国成为世界上第四个掌握碳—碳复合材料刹车副制造技术的国家。又如：2008年北京奥运会主体育场——“鸟巢”结构设计奇特新颖，钢结构最大跨度达到343米。如果使用普通钢材，厚度至少要达到220毫米，焊接非常的困难。在国内科研人员不懈努力下，终于研发出了低合金高强度钢Q460适当的合金元素配比，厚度也从220毫米减小到110毫米，成为“鸟巢”钢筋铁骨中最坚硬的一部分。
在人类使用的众多材料中，金属材料由于其特有的各种优异性能，被广泛地应用于生活和生产当中，是现代工业和科学技术领域不可缺少的重要材料。（通过光碟的播放，让同学们真实的体会到金属材料突飞猛进的发展带来的巨大变化）。
最后强调：金属材料学科在国民经济中具有十分重要的地位。
3.中职机械类专业的学生学习《金属材料与热处理》课程的必要性
作为一名机械行业中具有中等技能水平的技术工人，从手中的工具到加工的零件，每天都要与各种各样的金属材料接触，为了能够正确的认识和使用金属材料，合理地确定不同金属材料的加工方法，充分发挥材料的潜力，就必须熟悉金属材料的牌号，了解金属材料的性能和变化规律。合理地使用热处理工艺，改善金属材料使用性能和工艺性能，强化金属材料，提高产品质量和使用寿命。认识到绝大部分重要的机械零件在制造过程中都必须进行热处理。为此，我们需要比较深入地学习和了解金属材料和热处理的相关知识，《金属材料与热处理》正是这样一门研究金属材料的成分、组织、热处理与金属材料性能之间关系和变化规律的学科。
4.介绍本课程的内容
本课程要学习的主要内容包括： （1）金属材料的基本知识：主要介绍金属的晶体结构及变形的相关知识。该部分内容位于教材的第一章、第二章。这部分内容理论性强，名词概念多，通过列举大量学生们熟悉的实例，运用形象类比的方法加深学生的理解。（2）金属的性能：主要介绍了金属的力学性能和工艺性能，该部分内容位于教材的第二章。通过简单的演示实验，帮助学生准确的理解和掌握概念。通过基本的生活常识，进行设问，启发学生，进而引入强度、硬度、塑性等概念。（3）金属学基础知识：主要讲述了铁碳合金的组织及铁碳合金相图。该部分内容位于教材的第三章。这部分内容综合性很强，是课程中的一个非常主要的内容；是学习后续其他许多章节的基础，是分析组织、判断性能，选择热处理及铸锻工艺温度的重要依据。同时这部分内容又是同学们学习的一个难点，在学习时要引起足够的重视。（4）热处理的基本知识：主要讲述了热处理的原理（钢在加热、保温、冷却时的组织转变）和热处理的工艺（退火、正火、淬火、回火、表面热处理等）及常用材料的典型热处理工艺。该部分内容位于教材的第四章。这部分内容概念多，理论性较强，为了加深学生的感性认识，列举学生熟悉的现象，如大多数来自农村的同学都见过铁匠打好农具后，趁热放入水中，其目的是提高农具的强度和硬度，这就是简单的热处理。（5）常用金属材料：主要介绍了碳素钢、合金钢、铸铁、有色金属等的分类、牌号、性能特点及应用。这部分内容位于教材的第三章（碳素钢）、第五章（合金钢）、第六章（铸铁）、第七章（有色金属及硬质合金）。这部分内容是直接为生产服务的，具有很强的实践性。同学们在学习过程中注重理论联系实际，如：学完这些章节后，同学们就会分析在操作课上使用的各种工具的材质、牌号、性能、应用场合等，让同学们感受到这些知识的具体应用。进一步提高学生对这门课程学习的积极性和对学习相关知识的渴望。
5.小结
根据本课程实践性强的特点，要求同学们在学习时注重理论联系实际，抓住本课程的主线，即：材料成分——组织——性能——性能改造（热处理）——合理应用。对这门课的学习提出希望，相信同学们一定能学好这门课程，并会灵活应用本课程的知识解决生产生活中的实际问题。
最后，让同学们阅读“秦始皇陵铜车马”，了解我国材料的发展史，了解中华民族的古代文明，激发同学们的民族自信心，同时也让同学们知道我国与世界先进国家之间的差距，鼓励同学们努力学习，为祖国的强盛做出自己的贡献，激发同学们的爱国情怀。
6.充分利用网络资源，布置课后思考作业
中职学生对网络都有着浓厚的兴趣，充分地把学生的这一兴趣，引入到本课程的学习中，将被动的学习，转换为积极主动地学习，同时将学习的空间得到广泛的延伸。在本节课后，向同学们布置以下作业：
（1）利用网络查找你最感兴趣的一件物品的材料发展史，字数不限。可以是体育项目撑杆跳高中的撑杆，可以是游泳运动中运动员身上的泳衣，也可以是机械行业中，挖掘机的铲斗，机床零件，汽车配件，农用机械等等，还可以是同学们日常生活中的任何一件物品。
对这样的作业，同学们都兴趣十足，作业刚一布置，同学们都兴奋异常，纷纷议论，一下就打破了教室安静的气氛。这样的作业形式，通过在09级、10级、11级机械专业的学生中应用，均取得了很好的效果。既调动了同学们对本课程的兴趣，又让同学们在自己感兴趣的领域学到了知识。为本门课后续内容的学习打好了良好的基础。
（2）请同学们思考：中职机械类专业的学生为什么要学习《金属材料与热处理》这门课？怎样才能结合专业特点学好这门课程？
同学们对这道题的回答也是多种多样的，但有一点是共同的，那就是同学们都对自己如何学好这门课，都提出了要求，因而，作为本科程的授课教师，也就达到了目的。
关键词：金属材料与热处理；教学体系；教学方法
作者简介：刘金明（1976-），男，江西樟树人，江西理工大学材料科学与工程学院，讲师。
刘国平（1974-），男，江西樟树人，江西省樟树市第八小学，小学高级教师。
基金项目：本文系江西理工大学2012年校级教改课题（课题编号：3100220004）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）14-0115-01
一、课程概述
金属材料是工农业生产及国防、科技等领域使用最广泛的工程材料，其应用与热处理工艺又息息相关。“金属材料与热处理”是研究金属材料及其强化方法的课程，是高校材料类、材料成型类、材料物理类学生的专业必修课。课程体系涉及的专业知识点多、面广。随着社会进步、科技的发展、教改的深入、知识的更新，课程内容、要求及选用的教材等都有很大的变动。目前国内外许多院校在“大材料”的背景下，就“金属材料与热处理”课程的教育改革进行了广泛的探索和研究，其教育方面的中心问题主要集中在培养具有创造性和适应性的复合型人才。
同时随着知识经济时代的来临，科学技术和产业的发展对高等教育的人才培养提出了更高的要求。而目前由于就业形势的压力，许多大学生缺乏专业学习兴趣，厌学情绪比较严重，对前途感到茫然，不知道将来能干什么，以致于学生专业素质、专业技能等存在某些不足。这些反过来又影响到学生的择业和就业。托尔斯泰曾说过：成功的教学需要的不是强制，而是培养和激发学生的学习兴趣。在本科专业教学中，只有充分调动学生的兴趣，才能使学生变被动学习为主动学习，确保专业教学质量。学生对专业课程的认识和兴趣取决于授课教师正确而又巧妙的引导、培养和激发。
二、课程体系的构建
“金属材料与热处理”课程由金属热处理原理、金属热处理工艺、金属材料三部分内容组成。[1]这三部分是“成分-工艺-组织-性能”的主线内容，如图1所示。
1.金属热处理原理内容
结合工科院校金属材料类专业的要求和特点，在课程体系中，金属热处理原理内容主要包括三大转变规律：
（1）钢的加热转变。主要包括奥氏体的形成条件，形成过程，影响因素，奥氏体晶粒度的大小及影响因素。这也是热处理的第一阶段。
（2）冷却转变（2个曲线，3大组织转变）。主要包括过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）及连续冷却转变曲线（CCT曲线），P转变，B转变转变，M转变。
（3）回火转变。主要包括淬火钢在回火过程中的组织转变，M分解转变，残余奥氏体转变，碳化物的转变，渗碳体的聚集长大和α相回复、再结晶。回火时力学性能的变化与回火脆性。通过对金属热处理原理的讲解，架构热处理转变规律知识，为学生学习金属热处理工艺打好基础。
2.金属热处理工艺内容
金属热处理工艺内容主要包括：钢的退火与正火；钢的淬火与回火；钢的表面热处理。其相关性如图2所示。
3.金属材料内容
在课程体系中，金属材料内容主要包括：
（1）钢的合金化基础。主要有合金元素（Me）与铁和碳的相互作用、奥氏体稳定元素、铁素体稳定元素、Me对Fe-C相图与钢热处理的影响、Me与钢的强韧化的关系。
（2）钢的分类及编号。
（3）结构钢。主要有工程结构钢、调质钢、渗碳钢、弹簧钢、滚动轴承钢。
（4）工具钢。主要有刃具钢、模具钢、量具钢。
（5）特殊钢、主要有不锈钢和耐热钢。
（6）铸铁。主要有灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。
三、课程教学方法的优化
第一，巧用直观教学法。直观教学法就是教师通过实物、可视资料等手段，使学生建立基本概念，掌握基本操作技能及各种规律，突出重点，突破难点。直观教学能充分发挥学生认知的
主体作用，培养学生学习的积极性、主动性和创造性，从而取得较好的教学效果。[2]在“金属材料与热处理”课程教学中，可充分利用一些经过不同的热处理工艺所获得的显微组织照片、热处理工艺过程视频资料、力学性能测试、模拟动画等，通过直观、生动的素材，使学生对金属材料及检测方法有更直观的认识，对热处理原理及组织转变过程更容易理解、吸收、消化。
第二，巧用疑问与兴趣教学法。疑问教学法或问题教学法就是以问题为载体贯穿教学过程，使学生在设问和释问的过程中萌生自主学习的动机和欲望，进而逐渐养成自主学习的习惯，并在实践中不断优化自主学习方法，提高自主学习能力的一种教学方法。[3]问题教学法充分体现学生的主体地位，能有效地激发学生自主学习的主动性和积极性。而趣味性教学，就是以激发学生学习兴趣为心理基础，结合教材内容，灵活多变地用学生乐于接受的趣味性故事和语言组织教学。[4]例如在讲授热处理原理时，分析图3中三条曲线变化的原因。淬火处理工艺如下：亚共析钢：加热到Ac3以上充分奥氏体化后，急冷淬火。过共析钢：加热到Acm以上充分奥氏体化后，急冷淬火；加热到Ac1～Acm之间充分奥氏体化后，急冷淬火；马氏体的硬度与其中含碳量的关系。
这些变化的原因是淬火工艺的关键点，是如何提高强度和综合性能的切入点，贯穿金属热处理原理到工艺整个过程。
第三，巧用案例教学法。所谓案例教学，就是在教师的指导下，根据教学要求，组织学生对案例的调查、阅读、思考分析、讨论和交流等活动，教给他们分析问题和解决问题的方法，进而提高分析问题和解决问题的能力，加深学生对基本原理和概念的理解的一种特定教学方法。[5，6]例如汽车钢板弹簧，在汽车行驶过程中承受各种应力的作用，其中以反复弯曲应力为主，绝大多数是疲劳破坏。而且，同样的材料热处理是否正确，其寿命相差也很大。所以要合理选择材料并对所选材料进行成分、组织、性能分析，制定合理的热处理工艺。
四、结论与建议
“金属材料与热处理”课程体系的构建应与专业培养目标相一致，并与培养计划中的其他课程如“材料科学基础”相互补充，相得益彰。课程内容涉及面广，但在实际教学过程中应有所侧重，在学时紧的情况下，有些内容甚至可以由学生自学，如铸铁、其他材料简介等章节。并尽可能给学生提供实践的机会。课程的实际教学过程，往往是几种教学方法结合，使教学更为生动，知识更容易为学生所接受，从而提高教学效果，并在教学过程中探索更多的有效的教学方法。
参考文献：
[1]叶宏.金属材料及热处理[M].北京：化学工业出版社，2009.
[2]王建凤.直观教学法在金属材料与热处理教学中的应用[J].现代技能开发，2000，（4）：39.
[3]王未强，徐中明.浅析疑问教学法在《思想概论》课教学中的运用[J].思想研究，2001，（5）：110-111.
[4]阳益贵.从《金属材料及热处理》课谈趣味性教学[J].现代技能开发，2002，（11）：34.
[关键词]材料科学与工程专业 材料科学基础 教学
“材料科学基础”是研究材料的成分、结构、性能之间的关系及其变化规律的一门基础学科，是材料科学与工程专业一级学科公共主干专业基础课。根据教育部提出的拓宽专业口径、按专业大类进行人才培养的基本思路和1997年国务院学位办颁发的新专业目录，材料类的专业设置不再按传统分为金属材料、无机非金属材料和高分子材料。为此，各相关高校在材料科学与工程专业主干课程“材料科学基础”的教学上都进行了教学改革。暨南大学材料科学与工程专业自2002年设立以来，就依据教育部的要求，将专业培养目标设定为培养“大材料”科学研究与工程技术所需的人才。故“材料科学基础”课程内容设置为介绍三大材料的基础知识，在教学模式、手段及课程配套方面也具有鲜明的特色。本文阐述了暨南大学材料科学与工程系以“奠定学科专业基础，培养学生科学的思维能力”为宗旨，开展“材料科学基础”教学工作的经验和体会。并以此为契机，进一步优化教学内容，探索新的教学模式和教学手段，进一步提高教学质量。
一、课程发展历史、性质与定位
材料是人类文明发展的基石。人类发展的文明史就是按石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代来划分的，可见材料对人类文明进程的重要贡献。与人类使用材料的漫长历史相比，对材料的研究即材料科学的历史比较短暂。19世纪中叶，开始采用金相显微镜研究钢铁，相平衡热力学和统计热力学则为建立材料的相平衡与相变提供了理论基础。20世纪20年代，原子结构和量子力学提供了研究材料微观结构的理论，x射线衍射技术和电子显微技术为探索材料的微观结构提供了手段。20世纪50年代，金属学已初具规模。高校金属材料专业都开设了《金属学》课程。到20世纪60年代，世界经济的腾飞促使陶瓷学和高分子材料学建立，其代表作分别为wg金格瑞的《陶瓷导论》(introduction to ceramics)和pj flory的《高分子化学与物理》(polymer chemistry and physics)。前者，wg金格瑞教授将金属学的原理应用于无机材料的结构、热力学、动力学、相变及性能分析当中，成功地指导了水泥、玻璃和陶瓷材料的生产和科研。而pj flory教授则主要围绕聚合物的合成过程、聚集态结构以及物理、化学等行为特征，阐述了高分子材料的结构及性能。到今天，三大材料的研究相互渗透，研究方法相互借鉴，产生了21世纪的材料科学。
“材料科学基础”着眼于材料基本问题诸如材料的结合键、材料的晶体结构及缺陷、材料的相结构与相图、材料的凝固、材料中的扩散，材料的塑性变形、材料的亚稳态。从金属材料的基本理论出发，将高分子聚合物材料、陶瓷材料、复合材料等结合在一起，使学生能把握材料的共性，熟悉材料的个性。本课程横向融合金属材料、陶瓷材料和高分子材料的基础理论于一炉，纵向则充分利用学生已经学过的基础知识(包括高等数学、普通物理、物理化学、材料力学等)，并能连接后续的材料的分析与表征、材料物理、材料加工工艺学等必修课程及高分子材料、无机非金属材料、金属材料等模块的选修课程。
二、教学内容的优化和选择
现代材料工业和技术的发展推动材料从组成、结构和功能的单一化向复合化、一体化发展，使培养大材料、宽专业人才的教学改革迫在眉睫。在此形势下，2002年暨南大学材料科学与工程专业设立并开始招收首届本科学生，确定了《材料科学基础》为专业基础课(必修，72学时，4学分)。本课程内容旨在以物质结构和结构形成为主线将三大固体材料(金属材料、无机非金属材料、高分子材料)的基础知识有机结合，构建大材料专业公共性专业基础课教学体系。该课程体系旨在强化对学生重基础的通才教育模式，在教学内容上力求共性教学，突出个性特点。为此。从选择教材着手，优化教学内容，强化基础教学，着重培养学生科学的思维方法、创新能力以及运用基础理论解决实际问题的能力。
目前， “材料科学基础”教材体系可分为两大类。第一类沿袭“金属学”课程的教学内容，增加了少量无机非金属材料、高分子材料和复合材料等内容，往往侧重金属材料。这类教材基本上适合以金属材料为主导的材料科学与工程专业的教学。第二类教材则是在增加非金属材料、高分子材料、复合材料等新材料内容的同时，对该课程的所有内容进行了全新的组合，将它们有机地融入整个教材体系中，形成新的包含各种类型材料的教学体系。由于低年级本科学生的专业知识有限，这类教材在教学中要突出构建整个教学内容的逻辑性和条理性，避免学生掌握了各材料的个性，却忽视了各材料的共性，从而使整个课程陷入一个“材料学概论”的泥潭。为达到突出共性教学的目的，搭建一个合理材料科学与工程的知识平台，根据整个学科的培养方案和教学计划，我们选择上海交通大学出版社出版的面向21世纪新教材《材料科学基础》作为教材，从教学目标出发，该教材最显著的特点是着重于基本概念和基础理论，便于在教学中掌握深度和广度。根据本专业培养目标的要求和培养方案的特点，在确立教材内容、体系与后续课程的相互关联的基础上，在保持课程自身体系的完整性的条件下，兼顾到不同材料的特点及知识体系与要素课程内各个环节之间的逻辑关系，对该教材的内容进行了“扬弃”，将课程教学内容分为三大模块：
1 材料的结构。①微观结构：原子的排列方式、高分子链结构；②结构的完整性：晶体学基础、金属的晶体结构、合金、离子晶体结构规则、共价晶体结构、聚合物的晶态结构；③结构的不完整性：晶体缺陷、表面和界面、非晶态、亚稳态、准晶态。
2 固体中原子及分子的运动。①扩散：菲克第一、第二定律、扩散的热力学分析、扩散原子理论、影响因素；②高分子的分子运动：分子链的运动及其柔顺性、分子的运动方式及影响因素。
3 材料的组织结构变化。①材料的形变和再结晶：单晶和多晶体的塑性变形、回复和再结晶；②相图。单元系相图：凝固、形核和晶体长大；二元系相图：匀晶、共晶和包晶相图、混溶间隙、相图分析；三元系相图：相图基础、三元匀晶和共晶相图。
为了在上述教学内容中力求共性教学，以最大限度地淡化三大材料各自的专业色彩，力求突出共性的内容。例如，相平衡与相图的内容，选择了相律、相平衡热力学理论、一元、两元和三元基本相图类型的阅读等为重点内容，而淡化与此相关的教材中有关金属材料的冶金和铸造
方面的内容。
通过多年的教学实践，上述教学内容的优化既得到了后续课程教师的肯定，又使学生学以致用，达到了奠定学科专业基础、培养科学思维的目的。
三、教学内容组织方式与目的
本课程教学内容的特点是“三多一少”，即叙述性的原理、规律多，需要记忆的概念、定义多，课程内容知识点多。理论计算少。因该课程内容枯燥、抽象，学生感到难学。具体表现在：不能很好地将数学理论应用到材料科学的基础课程、无法判定从而掌握教学内容中的重点、不能将所学的知识点和实际的材料联系起来。所以，我们在教学内容的组织上做了一些探索：
1 突破传统的“一本教科书”的局限性。本课程的教学内容在严格按照教学大纲和教学计划授课的同时，综合多种中文教材、英文教材等，力图做到知识面完整、讲授描述通俗易懂。如针对本专业每年都有数目不等的海外学生的特点，在教学提倡采用台湾晓园出版社出版的《材料科学与工程》作为补充性教材，提升外招学生对学科知识的认同感和认知度。
2 探索课堂教学，有所为，有所不为。课堂讲重点、难点，讲思路，留给学生充分的思考时间和空间，以调动他们的主动性和积极性。对难点和重点内容，尽量举出其应用实例，结合学科前沿知识，使学生知道该原理的用处，听课时不感到抽象、空洞，达到了理论联系实际的目的。而且，对重点和难点内容务必做到举一反三，确保学生能够掌握，以达到以点带面，进而掌握所学知识的目的。
3 注重教学内容的连贯性，连通性，提高学生对所学知识点的融会贯通能力。本课程在教学过程中，提倡预习，并将即将讲授的知识点与所学基础知识点的关联告知学生，使其掌握学习的主动性。对部分关联度高的章节，采用课堂讨论、换位讲授等方法，调动课堂气氛，使学生自觉地运用基础知识解决教学过程中的难点，从而提高他们通晓所学知识点的能力，达到全面提升专业素质和人文素质的目的。例如，在相图的学习中，尝试让学生利用所学的物理、化学知识换位讲授一元相图和二元相图的基础，一方面使他们学会对所学知识点进行归纳和演绎，另一方面提升他们的口头表达、演讲技巧。
4 充分、恰当地采用现代化多媒体教学方法，并辅之以动画，实现图、文、声、像的视听一体化教学。特别是对那些教学难点和需要丰富空间想象力的内容，形象、生动地展示在学生面前，既直观又富动感，可明显提高教学效果。
四、教学方法与教学手段
“材料科学基础”课程内容抽象、概念性强，学生在学习时容易感到枯燥难学。因此，在课堂上应常采用启发式教育，常用提问、问答或引而不发方法，调动学生的积极思维能力。在讲授时使用ppt演示文稿，尽量多用教学模型、挂图、照片和曲线图表等形象化语言。涉及部分教学内容如位错运动等，应结合动画生动地用图像演示给学生，以加深他们对课程内容的理解，提高学习兴趣。对于部分与前期知识关联度高的基本理论如单元相图，组织学生进行课堂讨论(seminar)，并以学生发言为主，让他们直接参与教学。对需要运用较多数学知识且理论性较强的内容，如扩散第一、第二定律，应多采用板书推导，加强逻辑性学习。另外，为了提高学生对那些需要有丰富空间想象力的晶体结构、金相组织的转变和识别、位错、位错增殖和缠结过程等知识难点的理解和掌握，将先进的多媒体现代化教学手段引入材料科学基础教学中，并让它们以二维或三维动画形式生动形象地展示在学生面前，弥补传统教学在时间和空间等方面的不足，以提高教学效果。在课外，还可建立qq空间，在群聊中解决课堂中来不及解决的问题，通过师生交流，提高学生探索性自学能力和学习的积极性。
在“宽口径，大平台”培养模式下开展材料科学与工程教学， “材料科学基础”作为专业必修的主干课程，突出共性教学是打好学科专业知识的必备条件。从时代的需要出发，合理选择及组织教学内容、创新教学手段和方法，使其与教学内容相互协调，是构建新时代“材料科学基础”教学体系的关键。今后， “材料科学基础课程”将继续围绕以符合时展、符合教育规律为中心开展课程建设，不断探索和实践，为成功培养宽专业人才奠定基础。
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关键词:金属材料 磨损失效 防护措施
中图分类号：TB31文献标识码： A
工业生产过程中，材料科学的地位无疑是举足轻重，金属材料的磨损失效现象往往会引起从业者的格外关注。由于金属材料的磨损大大降低了金属的使用可靠性,同时减少了金属材料的使用寿命。因此，如何通过分析金属材料的磨损形式及磨损机理,解决金属材料的磨损失效是金属工业中的重中之重,是工业发展不可缺少的组成部分。
1 金属材料磨损失效的危害
在金属材料的使用过程中,两个互相接触的金属材料表面之间由于相互接触摩擦和相互运动会引起材料表面的损耗,摩擦损耗往往会对金属材料的尺寸、外形、结构及性能造成不同程度的影响。在工业机械设备的运转过程中，由于工作环境差，工作强度高，工作时间长，维护不及时等原因，机械设备在实际工作中经常处在较大负载、冲击、振动的工况下，部分设备基本上日夜连续进行高强度运行，使得机械设备容易产生疲劳磨损，加剧了关键部件的老化磨损速度。再加上煤矿中可能含有矸石等硬的成分，更加重了设备的磨损。这种磨损积累到一定程度，就会影响到设备各零部件的机械性能，甚至会发生意外事故，危及职工的人身安全，影响企业的经济效益和企业形象。因此有效的减少磨损，降低机械的损耗，对保证企业的经济效益有一定的作用。
2 金属材料磨损失效的基本形式
金属材料的磨损失效在工业建设中是不可忽略的问题,也是亟待解决的问题。而在工业建设中,要想及时有效地解决这种金属失效问题,清楚掌握造成这种金属磨损失效的形式及机理显得尤为重要。在现代的工业建设中,金属的磨损失效主要有以下几种形式:
2.1磨粒磨损失效
磨粒磨损失效是由于金属的磨粒磨损造成的金属材料相应性能的损失,是材料磨损失效的普遍形式。根据磨粒磨损过程中金属材料磨损表面所受的应力和冲击力不同,我们可将磨粒磨损分为凿屑磨损、擦伤磨损以及碾碎磨损。通常情况下,在高应力和硬磨粒的状态下,会出现凿屑磨粒现象;而在磨损过程中,如果磨粒硬度相对较小,则会划伤金属材料表面,使得金属材料上出现凸凹不平的现象,这种磨损叫做碾碎式磨损;如果造成磨粒的应力相对较小,则会出现擦伤磨损。
2 . 2 黏着磨损失效
黏着磨损失效则是由黏着磨损造成的金属性能失效,而这种黏着磨损则是一种较为复杂的磨损。一般情况下,如果两个相对滑动的金属材料表面不良或者超负荷工作,这就会造成金属表面的应力过高;当相对滑动的金属表面的应力达到一定程度时,就会造成接触面温度急剧上升,致使金属局部熔化,在之后的冷却过程中,接触面会固相焊接。当金属表面再次滑动时,足够的切向力会使得黏接点断开,破坏金属的摩擦表面,从而会产生金属磨屑,产生黏着磨损。
2 . 3 疲劳磨损失效
当金属材料的摩擦副表面在相对滑动过程中,往往会忽略周期负荷的作用,这在循环往复的工作回合中,会使得接触应力增大,直到超过金属材料的承受范围,最终导致金属材料的变形以及其它各种失效现象。在摩擦学中,疲劳磨损往往会被认为是由长期的周期负载造成的。长期的周期负载会使金属材料结构变形,表面塑像变形,更有甚者会使金属表面出现裂纹。在弹力学中,金属材料的疲劳磨损则是十分严重的问题,必须快速有效地解决疲劳磨损。
2 . 4 腐蚀磨损失效
在工业机械设备工作的过程中,其中的金属材料难免会和空气及水汽等介质接触,而金属的活泼性又使得金属极易和这些介质发生相应的化学或电化学反应,这就会造成金属的腐蚀磨损。在腐蚀磨损中,腐蚀物是不可避免的,而这些腐蚀物则会继续产生其他磨损,使得磨损重叠,加剧金属材料的磨损程度,产生更严重的失效。
2 . 5 微动磨损失效
在机械设备的金属材料中,相对滑动的金属材料很容易产生磨损,而相对固定的金属材料也会产生磨损,只不过磨损情况相对较轻。在相对固定的金属材料和副材料的摩擦表面之间,往往会因为周围环境的影响产生接触面微小的相对运动,而这种振幅较小的相对振动则是产生微动磨损的原因。
3 金属材料磨损失效的防护措施
3 . 1 提供良好的工作环境
机械设备的工作环境是造成金属材料磨损的主要因素之一,因此改善机械设备的工作环境是处理金属磨损的有效方法。在机械设备的工作过程中,要最大程度的优化其工作环境,减少设备的超额工作时间,同时防止各种腐蚀性物质因操作不当而浸入机械设备中,从而营造一个良好的工作环境,增强金属的防护能力,保持金属材料的连续使用性。
3 . 2 合理选择金属材料
在良好的工作环境的前提下,合理地选择抗磨性的金属材料也是金属材料的防护手段之一。通过上文的分析,金属材料的自身性质是金属磨损的决定性因素,所以在金属材料的选择过程中,要根据金属材料的工作环境,合理的选择工作材料。同时,在选定材料后,也可对金属材料进行表面强化,提高材料硬度,增强其耐磨性。
3 . 3 金属材料表面和结构强化
在金属材料相对运动的过程中,材料的表面特征则会大大影响金属的磨损;因此,改善金属材料摩擦便面的光滑程度,降低摩擦表面的摩擦系数,可大大降低金属磨损。同时,金属材料的结构也大大的影响着金属材料的磨损,合理的金属配合方式便可在很大程度上降低金属磨损。
3 . 4 定期进行金属材料保养
在做好了所有的前期处理之后,金属材料的定期保养也是非常重要的。在设备运作一段时间之后,对金属材料进行保养,可很大程度的修复和改善金属的性能,增强其抗磨性,从而提高金属材料的使用寿命。
3.5研究新理论，设计新方案。
设计新型机械设备是减少机械设备的磨损失效最有潜力的方法。这样可以促进中国企业设备升级，提前减少因为机械磨损而带来的损失，虽然更新设备需要资金花费，但是从长远来看，减少了每年的维护开支。这需要从摩擦、等相关学科和理论入手，分析现有的磨损问题和失效形式，研究失效的宏观和微观机理，给设计提供足够的理论支持。然后根据这些研究结果和思路，结合现有的采矿设备，设计出可靠性更高的机械或者对现有的机械进行改造
3.6采用新材料，
应用新工艺使用抗磨材料、提高抗磨能力是减少金属材料机械的磨损失效最有效的方法。在目前的情况下，采用新的材料，或者使用新的加工工艺，对较容易出现磨损失效的零部件进行抗磨处理，无疑能立马进行替换，从而增加机械设备的可靠性。例如：我国的煤矿机械大多数都是国产的，其中的耐磨部分普遍采用低碳锰钢作为原材料。加入了其他合金元素的低碳锰钢在强度和抗磨性上跟其他碳钢相比，有很大的优越性。但是与国外的优质钢材相比，还是有很大的不足。象刮板输送机的中部槽，国产钢板就需要45mm厚，为达到同样的输送量和使用寿命，而使用进口的钢板只需要30mm的厚度即可。
结束语
我们知道，金属材料的磨损大大降低了金属的使用可靠性,同时减少了金属材料的使用寿命。所以,我们必须通过对金属材料磨损形式和机理的分析,采取合理的防护措施来增强金属材料的抗磨性,同时也要不断地研发新型耐磨金属材料,来降低金属材料磨损失效的可能性,这样才能避免工业生产中意外事故的发生,从而保证工业企业的经济效益和从业人员的人身安全。
参考文献
[1] 邹志芳 ,张剑锋 .磨损与抗磨技术 [M].天津，天津科技翻译出版公司,2011.
[2] 徐松.金属材料磨损失效及防护的探讨[J].现代技术信息 ,2010.
