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机械工程研究生的工程材料检测技术

摘要:研究生是科研项目的参与者和基础试验工作的执行者,是推动科技进步的中坚力量之一,是未来科研工作的主力军。为机械工程学科研究生开设具有较强学科交叉特色的课程——工程材料检测技术,对培养创新意识、提升综合科研能力具有重要意义。以具体科研问题为例,分析了开设该课程的必要性,说明了如何设置教学内容,讨论了课程实施和考核方式。

关键词:机械工程;研究生;学科交叉;工程材料;检测技术;课程

机械工程学科研究生的传统课程因学科交叉性差,涉及面单一,不能适应社会发展的需求,不符合OBE(Outcomes-BasedEducation)和创新创业教育的理念[1-4]。在国家自然科学基金委发布的《2017年度国家自然科学基金项目指南》中,前言部分提出推动学科交叉;在资助机械学和制造科学研究的工程科学二处面上项目说明中,指出优先支持与自然科学和其他工程科学深度交叉融合。这是因为超、精、尖、特装备的设计、制造、测试离不开对相关工程材料的清晰表征和充分认识,离不开对检测技术的准确理解和熟练掌握。本文基于机械工程学科中的科研问题,分析研究生学习工程材料检测技术课程的重要性,说明如何设置教学内容,并讨论了课程实施和考核方式。

一、课程重要性

长期以来,工程材料检测技术或相近课程只是材料科学与工程专业研究生的必修课程。许多学校的机械工程学科没有开设该课程,研究生只能通过自学获取材料检测知识,缺乏系统性和针对性。机械工程专业的研究生,在完成学位论文或参加导师其它科研项目的过程中,需要面对零件选材和加工、零件性能和失效、加工对象质量和缺陷等问题,都与工程材料的本质有关,如何检测和表征工程材料十分重要。高档冷轧板材是附加值很高的汽车工业用材,板型控制则是冶金机械专业中的技术难题之一。在研制新型冷轧机的试验阶段和中试阶段,板材板型质量不仅与轧机参数有关,而且与所用试验板坯的原始组织状态有关,需要用专门的技术进行检测。由两种或多种不同成分金属叠加轧制而成的复合板,是当前板材加工的研究热点。在评价所开发的相关轧制设备时,要对所轧板材的组织和性能进行分析;关键部位是复合板各层之间的结合层,需要检验它的厚度、组织和结合强度。自润滑轴承的性能和寿命,不仅仅取决于所设计的结构、形状和尺寸,更取决于所选用工程材料的组织和性能。例如,粉末冶金法制备的青铜含油脂自润滑轴承,其孔隙率和孔隙尺寸对压溃强度至关重要;四氟乙烯纤维织物类的自润滑轴承,在不同条件下所呈现出来的摩擦系数变化,与表面形貌特性有关;涂层自润滑轴承的寿命,取决于涂层自身压破强度和涂层与基体结合特性。超精密加工代表了机械加工的最高水平。超精密加工表面质量包括粗糙度、波纹度和面形精度等。影响表面质量的因素,除了机床精度、振动、刀具、切削参数与环境条件外,最主要的是材料自身的切削性能。硬脆材料切屑形成的同时,表面会留下大量微裂纹;韧性材料则在加工面表层形成大量滑移线和位错缺陷。切屑的断裂机制、断裂层形貌、已加工表面粗糙度值,都离不开先进的工程材料检测技术。

二、课程内容

机械工程专业的研究生,本科阶段一般只学过工程材料基础和简单的试验方法,基本没有接触过借助大型设备进行的检测技术。因此,在针对机械工程专业研究生设置检测技术课程时,需要介绍基本原理、主要应用范围、数据如何分析以及如何制备试样,内容不宜太深奥。具体讲授哪些检测方法,则根据他们所遇到的实际科研和工程问题,用到什么检测技术就讲什么,不求全面,只求实用。冷轧板材原始板坯组织状态方面。织构用X射线衍射技术(XRD)、背散射电子衍射技术(EBSD)检测,XRD适用于宏观织构的分析,EBSD更适用于微观。碳钢板坯原始奥氏体晶粒尺寸不均匀,会导致亚结构的尺寸不均匀(例如α相尺寸),必须借助扫描电子显微技术(SEM)观察;铝合金板坯的晶粒尺寸不均匀,可用EBSD、偏光金相、XRD分析。复合板结合层方面。结合层尺寸,用显微硬度技术确定硬度分布,由此判定结合层厚度;也可通过能谱仪(EDS)检测不同元素的线分布或面分布来确定。结合层的显微组织,用透射电子显微技术(TEM)观察,也可以利用EBSD中的背散射成分检测功能。结合层的结合强度,用剪切拉伸和剥离试验检测,之后用SEM对断口和剥离面进行观察。自润滑轴承方面。粉末冶金法制备自润滑轴承其孔隙特性,用SEM表征。织物自润滑垫层在不同载荷下的形貌,同样需要借助SEM。涂层自润滑轴承性能,用滚动接触疲劳试验或压头压入法检测,涂层结合面组织结构用TEM观察。超精密加工领域。超精密加工的质量已远远优于传统机械加工,粗糙度致低于1nm,大大超过了指针轮廓仪的检测能力。检测超精加工工件表面形貌的方法有扫描隧道显微技术(STM)。对于绝缘工件,用原子力显微技术(AFM)进行检测。加工面表层的硬度变化,用纳米压痕技术检测。以上只是列举了几个典型例子,机械工程学科的科学和工程研究中需要借助工程材料检测技术完成的案例还有很多。

三、讲授和考核方式

每种检测技术都可以是独立的课程,如X射线衍射学、电子显微分析、背散射电子衍射技术等。鉴于机械工程专业研究生的知识结构和学时限制,不适于按部就班、系统地讲授工程材料检测技术,课程讲授方式应该是案例式的。在机械工程研究中,会遇到一些典型的、需要借助工程材料检测技术协助解决的问题。以问题为出发点,分析要检测的内容,介绍所需的检测技术,对比不同技术的优缺点。每个案例进行一次理论授课,并进行一次试验观摩。之所以只进行观摩,是因为这些检测方法所需的大型精密设备在专门培训后才可以操作。观摩时所用试样应为相应案例中的试样。理论授课和试验观摩穿插进行,这需要材料科学与工程学科实验室的支持和配合。上述课程内容和讲授方式决定了考核方式不应是学习了一门理论课之后的试卷考试,更应该注重对所学知识的应用能力。应用有一个过程,考核不必在结课后立即进行。采用弹性考核制度,考核方式为撰写报告或论文;内容为学生学位论文课题、导师课题、自选调研课题中所遇到的问题及解决该问题的完整检测分析过程。考核在结课后6~12个月完成;考核评价和建议反馈给学生,这对他们完成课题有直接帮助。考核成绩按照A、B、C、D、E五级制评定。

参考文献:

[1]吴志方,闫文青,徐光.提高硕士研究生学位论文质量的途径[J].中国冶金教育,2017(1):71-73.

[2]杨丽静,牛永红.研究生在科研过程中的“反思”思维模式[J].中国冶金教育,2016(5):31-34.

[3]顾佩华,胡文龙,林鹏,等.基于“学习产出”(OBE)的工程教育模式[J].高等工程教育研究,2014(1):27-37.

[4]王占仁.高校创新创业教育观念变革的整体构想[J].中国高教研究,2015(7):75-78.

作者:王振华 单位:燕山大学机械工程学院

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