機(jī)械工程研究生的工程材料檢測技術(shù)

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摘要：研究生是科研項(xiàng)目的參與者和基礎(chǔ)試驗(yàn)工作的執(zhí)行者，是推動科技進(jìn)步的中堅(jiān)力量之一，是未來科研工作的主力軍。為機(jī)械工程學(xué)科研究生開設(shè)具有較強(qiáng)學(xué)科交叉特色的課程——工程材料檢測技術(shù)，對培養(yǎng)創(chuàng)新意識、提升綜合科研能力具有重要意義。以具體科研問題為例，分析了開設(shè)該課程的必要性，說明了如何設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，討論了課程實(shí)施和考核方式。

關(guān)鍵詞：機(jī)械工程；研究生；學(xué)科交叉；工程材料；檢測技術(shù)；課程

機(jī)械工程學(xué)科研究生的傳統(tǒng)課程因?qū)W科交叉性差，涉及面單一，不能適應(yīng)社會發(fā)展的需求，不符合OBE（Outcomes-BasedEducation）和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的理念[1-4]。在國家自然科學(xué)基金委的《2017年度國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目指南》中，前言部分提出推動學(xué)科交叉；在資助機(jī)械學(xué)和制造科學(xué)研究的工程科學(xué)二處面上項(xiàng)目說明中，指出優(yōu)先支持與自然科學(xué)和其他工程科學(xué)深度交叉融合。這是因?yàn)槌?、精、尖、特裝備的設(shè)計、制造、測試離不開對相關(guān)工程材料的清晰表征和充分認(rèn)識，離不開對檢測技術(shù)的準(zhǔn)確理解和熟練掌握。本文基于機(jī)械工程學(xué)科中的科研問題，分析研究生學(xué)習(xí)工程材料檢測技術(shù)課程的重要性，說明如何設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，并討論了課程實(shí)施和考核方式。

一、課程重要性

長期以來，工程材料檢測技術(shù)或相近課程只是材料科學(xué)與工程專業(yè)研究生的必修課程。許多學(xué)校的機(jī)械工程學(xué)科沒有開設(shè)該課程，研究生只能通過自學(xué)獲取材料檢測知識，缺乏系統(tǒng)性和針對性。機(jī)械工程專業(yè)的研究生，在完成學(xué)位論文或參加導(dǎo)師其它科研項(xiàng)目的過程中，需要面對零件選材和加工、零件性能和失效、加工對象質(zhì)量和缺陷等問題，都與工程材料的本質(zhì)有關(guān)，如何檢測和表征工程材料十分重要。高檔冷軋板材是附加值很高的汽車工業(yè)用材，板型控制則是冶金機(jī)械專業(yè)中的技術(shù)難題之一。在研制新型冷軋機(jī)的試驗(yàn)階段和中試階段，板材板型質(zhì)量不僅與軋機(jī)參數(shù)有關(guān)，而且與所用試驗(yàn)板坯的原始組織狀態(tài)有關(guān)，需要用專門的技術(shù)進(jìn)行檢測。由兩種或多種不同成分金屬疊加軋制而成的復(fù)合板，是當(dāng)前板材加工的研究熱點(diǎn)。在評價所開發(fā)的相關(guān)軋制設(shè)備時，要對所軋板材的組織和性能進(jìn)行分析；關(guān)鍵部位是復(fù)合板各層之間的結(jié)合層，需要檢驗(yàn)它的厚度、組織和結(jié)合強(qiáng)度。自潤滑軸承的性能和壽命，不僅僅取決于所設(shè)計的結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸，更取決于所選用工程材料的組織和性能。例如，粉末冶金法制備的青銅含油脂自潤滑軸承，其孔隙率和孔隙尺寸對壓潰強(qiáng)度至關(guān)重要；四氟乙烯纖維織物類的自潤滑軸承，在不同條件下所呈現(xiàn)出來的摩擦系數(shù)變化，與表面形貌特性有關(guān)；涂層自潤滑軸承的壽命，取決于涂層自身壓破強(qiáng)度和涂層與基體結(jié)合特性。超精密加工代表了機(jī)械加工的最高水平。超精密加工表面質(zhì)量包括粗糙度、波紋度和面形精度等。影響表面質(zhì)量的因素，除了機(jī)床精度、振動、刀具、切削參數(shù)與環(huán)境條件外，最主要的是材料自身的切削性能。硬脆材料切屑形成的同時，表面會留下大量微裂紋；韌性材料則在加工面表層形成大量滑移線和位錯缺陷。切屑的斷裂機(jī)制、斷裂層形貌、已加工表面粗糙度值，都離不開先進(jìn)的工程材料檢測技術(shù)。

二、課程內(nèi)容

機(jī)械工程專業(yè)的研究生，本科階段一般只學(xué)過工程材料基礎(chǔ)和簡單的試驗(yàn)方法，基本沒有接觸過借助大型設(shè)備進(jìn)行的檢測技術(shù)。因此，在針對機(jī)械工程專業(yè)研究生設(shè)置檢測技術(shù)課程時，需要介紹基本原理、主要應(yīng)用范圍、數(shù)據(jù)如何分析以及如何制備試樣，內(nèi)容不宜太深奧。具體講授哪些檢測方法，則根據(jù)他們所遇到的實(shí)際科研和工程問題，用到什么檢測技術(shù)就講什么，不求全面，只求實(shí)用。冷軋板材原始板坯組織狀態(tài)方面?？棙?gòu)用X射線衍射技術(shù)（XRD）、背散射電子衍射技術(shù)（EBSD）檢測，XRD適用于宏觀織構(gòu)的分析，EBSD更適用于微觀。碳鋼板坯原始奧氏體晶粒尺寸不均勻，會導(dǎo)致亞結(jié)構(gòu)的尺寸不均勻（例如α相尺寸），必須借助掃描電子顯微技術(shù)（SEM）觀察；鋁合金板坯的晶粒尺寸不均勻，可用EBSD、偏光金相、XRD分析。復(fù)合板結(jié)合層方面。結(jié)合層尺寸，用顯微硬度技術(shù)確定硬度分布，由此判定結(jié)合層厚度；也可通過能譜儀（EDS）檢測不同元素的線分布或面分布來確定。結(jié)合層的顯微組織，用透射電子顯微技術(shù)（TEM）觀察，也可以利用EBSD中的背散射成分檢測功能。結(jié)合層的結(jié)合強(qiáng)度，用剪切拉伸和剝離試驗(yàn)檢測，之后用SEM對斷口和剝離面進(jìn)行觀察。自潤滑軸承方面。粉末冶金法制備自潤滑軸承其孔隙特性，用SEM表征?？椢镒詽櫥瑝|層在不同載荷下的形貌，同樣需要借助SEM。涂層自潤滑軸承性能，用滾動接觸疲勞試驗(yàn)或壓頭壓入法檢測，涂層結(jié)合面組織結(jié)構(gòu)用TEM觀察。超精密加工領(lǐng)域。超精密加工的質(zhì)量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械加工，粗糙度致低于1nm，大大超過了指針輪廓儀的檢測能力。檢測超精加工工件表面形貌的方法有掃描隧道顯微技術(shù)（STM）。對于絕緣工件，用原子力顯微技術(shù)（AFM）進(jìn)行檢測。加工面表層的硬度變化，用納米壓痕技術(shù)檢測。以上只是列舉了幾個典型例子，機(jī)械工程學(xué)科的科學(xué)和工程研究中需要借助工程材料檢測技術(shù)完成的案例還有很多。

三、講授和考核方式

每種檢測技術(shù)都可以是獨(dú)立的課程，如X射線衍射學(xué)、電子顯微分析、背散射電子衍射技術(shù)等。鑒于機(jī)械工程專業(yè)研究生的知識結(jié)構(gòu)和學(xué)時限制，不適于按部就班、系統(tǒng)地講授工程材料檢測技術(shù)，課程講授方式應(yīng)該是案例式的。在機(jī)械工程研究中，會遇到一些典型的、需要借助工程材料檢測技術(shù)協(xié)助解決的問題。以問題為出發(fā)點(diǎn)，分析要檢測的內(nèi)容，介紹所需的檢測技術(shù)，對比不同技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。每個案例進(jìn)行一次理論授課，并進(jìn)行一次試驗(yàn)觀摩。之所以只進(jìn)行觀摩，是因?yàn)檫@些檢測方法所需的大型精密設(shè)備在專門培訓(xùn)后才可以操作。觀摩時所用試樣應(yīng)為相應(yīng)案例中的試樣。理論授課和試驗(yàn)觀摩穿插進(jìn)行，這需要材料科學(xué)與工程學(xué)科實(shí)驗(yàn)室的支持和配合。上述課程內(nèi)容和講授方式?jīng)Q定了考核方式不應(yīng)是學(xué)習(xí)了一門理論課之后的試卷考試，更應(yīng)該注重對所學(xué)知識的應(yīng)用能力。應(yīng)用有一個過程，考核不必在結(jié)課后立即進(jìn)行。采用彈性考核制度，考核方式為撰寫報告或論文；內(nèi)容為學(xué)生學(xué)位論文課題、導(dǎo)師課題、自選調(diào)研課題中所遇到的問題及解決該問題的完整檢測分析過程?？己嗽诮Y(jié)課后6~12個月完成；考核評價和建議反饋給學(xué)生，這對他們完成課題有直接幫助。考核成績按照A、B、C、D、E五級制評定。

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作者:王振華 單位:燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院