《材料科学工程四面体的应用失效分析》.docx

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《材料科学工程四面体的应用失效分析》

《材料科学与工程四面体的应用-失效分析》

教学设计（教案）

微课的基本信息见表1.

表1.微课内容基本信息

项目

内容

作品名称

材料科学与工程四面体的应用-失效分析

专业大类

工学

专业二级类

材料类

课程

《金属材料学》

适用对象

材料类各专业的本科生，侧重于金属材料工程专业;

一般在大三下学期开课

时长

8分25秒

相关知识

Ø典型金属的晶体结构；

Ø典型金属金相组织；

Ø金属材料学的合金化原理；

Ø金属材料固态相变原理；

Ø金属材料力学性能；

Ø初步失效分析知识等

教学背景

在二十世纪六十年代，材料科学与工程的四要素问世，即“成分（组织）与结构、合成与加工、使用行为、性质”这四要素，也有把“成分、制备/加工、（组织）结构、性能（性能拆解成性质+效能）”作为四要素，总体思想是一致的。

而后，从四要素推广到四面体，如下图所示，即把四要素放在四面体的四个顶点，更好地说明了四要素之间相互影响、相互联系的关系。

因此该四面体是更加全面的一种表述材料科学与工程学科内涵与方法论的方式。

以下我们把材料科学与工程的四要素以四面体相结合的方式简称为“材料科学与工程四面体”。

图1.材料科学与工程四面体

“材料科学与工程四面体”高度概括了材料科学与工程学科的内涵与研究方法，因此在材料科学与工程的教育中，备受推崇，成为该学科必讲的一个知识点。

对于材料科学与工程大学课的学生而言，掌握核心方法论是重中之重，只有这样，学生才会从哲学的角度来深入理解材料学科，才能掌握并具备开展材料相关研究和工作的能力。

在强调学生能力培养的工程教育大背景下，有必要通过比较详细的叙述、生动的案例来讲解如何利用“材料科学与工程四面体”开展相关材料研究工作，帮助学习者掌握这个非常重要的知识点，引导学习者利用这个知识点所折射出的方法论来指导未来的材料学科的学习，使学习者掌握相关的知识，具备利用“材料科学与工程四面体”开展失效分析工作的能力。

教学目标

1.学习者能够理解“材料科学与工程四面体”中四要素之间的关系；

2.学习者能够理解“失效分析”的基本概念；

3.学习者能够掌握利用“材料科学与工程四面体”开展失效分析工作的方法，具备初步的失效分析能力。

教学内容及难点重点分析

教学内容：

1.“材料科学与工程四面体”的总体介绍；

2.“材料科学与工程四面体”中四要素的关系说明；

3.失效分析的简要介绍

4.利用“材料科学与工程四面体”开展的失效分析的案例讲解；

5.总结知识点。

难点分析：

利用“材料科学与工程四面体”展开失效分析工作是本知识点的难点。

因为要让学习者建立以“材料科学与工程四面体”为核心的方法论，从这个角度出发，去研究一个具体事物的失效原因。

但是要说清楚这个过程，必须要逐条说明，并且一定要举例、案例说明，才能形象地把这个难点解释清楚。

重点分析：

重点内容包括：

“材料科学与工程四面体”中四要素的关系，四要素涵盖了材料的研究内容，但是四面体体现的是四要素之间的相互联系和相互影响，从而让学习者在总体上了解材料科学与工程的四要素为何以四面体形式相连接的原因。

“材料科学与工程四面体”在材料科学与工程学科中的重要性则明确指出四面体对于材料科学与工程学科的意义，特别是材料学科的核心方法论，让学习者有个深刻的印象，帮助他们牢固抓住材料学科的重要特点。

利用“材料科学与工程四面体”可以开展的研究工作之一--失效分析，从而让学习者对于“材料科学与工程四面体”的实际应用有个直观的理解并初步掌握分析的方法、具备失效分析的能力，从而进一步加深了“材料科学与工程四面体”是材料科学与工程学科总方法论的印象。

教学活动设计和过程

1.片头

Ø写明课程及知识点；

Ø背景音乐弱起，强背景音乐；

Ø1张PPT；

2.总体引出知识点“材料科学与工程四面体的应用-失效分析”。

Ø用一个简要的开头来点题；

Ø出镜+PPT动画；

Ø出镜带手势，与动画同步；动画在人的左侧，从上到下展开；

Ø正式讲解期间，背景音乐全程弱音；

Ø1张PPT

3.“材料科学与工程四要素”的简介。

Ø引出成分、结构、制备/加工和性能这四要素，并且说明性能拆解成性质+效能。

Ø出镜+PPT动画；

Ø出镜带手势，与动画同步；动画在人的左侧，从上到下展开；

Ø1张PPT；

4.“材料科学与工程四面体”的引出。

Ø首先阐述“材料科学与工程四面体”，之后讲述为何用四面体来连接四要素，突出四要素之间相互影响、相互联系的关系；

Ø出镜+PPT动画；

Ø出镜带手势，与动画同步；动画在人的左侧；

Ø1张PPT；

5.引出“失效分析”的概念。

Ø简要提出“失效分析”这个概念；

Ø出镜+PPT动画；

Ø出镜带手势，与动画同步；动画在人的左侧，从左向右展开“失效分析”四个字；

Ø1张PPT；

6.介绍“失效分析”的具体实例。

Ø通过失效的零部件的图片来介绍零部件的失效；

ØPPT图片+PPT动画+讲解；

Ø4张PPT；

7.对“失效分析”进行定义。

Ø给出“失效分析”的具体定义；

ØPPT流程图（动画展开，从左到右）+讲解；

Ø1张PPT；

8.引出“失效分析”的案例。

Ø引出案例，介绍泰坦尼克号的情况，简要论述其沉没的一些原因分析；

ØPPT动画+出镜+短片（摘自卡梅隆导演的《泰坦尼克号》）；

Ø出镜部分简要叙述一些流传较广的关于泰坦尼克号失效的原因，为失效分析做好铺垫；

Ø1个微视频；2张PPT；

9.利用“材料科学与工程四面体”来开展泰坦尼克号甲板材料的失效分析工作。

Ø按照结构、制备/加工、成分和性能的顺序，逐一对泰坦尼克号的甲板材料进行详细分析；图片+箭头+文字，以动画形式逐一呈现；

Ø讲到硫含量影响的时候，跳转新的PPT，用定性曲线图来说明硫的影响；

Ø在性能的说明部分，用示意图的动画形式，讲解韧脆转变温度的概念；

Ø给出失效分析案例的答案；引导学生查看更多的泰坦尼克号材料分析数据；

ØPPT讲解（动画）+出镜（手势向下，引导出画面中的网址）；

Ø8张PPT；

10.总结本知识点要点。

Ø简要总结知识点；

Ø出镜+PPT动画（由上到下展开）；

Ø最后的字幕旋转而出；

Ø4张PPT；

Ø背景音乐调高再变弱收尾。

教学方法

1.采用案例讲解的教学方式，采用的案例是众所周知的著名案例；

2.教学内容的合理安排，做到引出、分析、总结，方便学习者对知识点的掌握和理解。

3.教学内容讲授顺序的合理安排，注重逻辑性。

4.利用PPT+出镜+短片的方式录制微课进行教学，在录制过程中，注重讲解者与PPT的互动；

5.采用大量的图片，并插入1个关于泰坦尼克号的视频，图文并茂，给学习者直观印象。

6.在教学过程中注意分步讲解，注意内容的合理安排，注重教育教学规律，引导学习者的注意力。

7.适当地提问，激发学习者的兴趣，提高学习者的注意力，加深教学内容的印象。

教学总结

经过多年的教学实践，讲解者认识到“材料科学与工程四面体”的核心方法论的重要性，因此坚持把这部分作为授课的重点，取得了非常好的效果，学生不再对专业存有疑惑，对专业有了清晰的认识。

其次，讲解内容的选择和讲解逻辑的设计，对于讲解的效果至关重要，所以在内容和逻辑上经过了认真的推敲；最后，经过教学实践证明，案例教学能够吸引学生的注意力并给学生留下深刻的印象，是非常好的教学手段。

因此，该微课在核心方法论讲解的基础上，采用了著名的泰坦尼克号沉船事件作为案例，希望能够产生良好的教学效果，让学生具备从材料科学与工程的角度开展失效分析工作的能力。

附：

微课台词

（PPT-1）

（开篇，无台词）

（PPT-2）

大家好

今天我们来学习如何利用材料科学与工程四面体

来开展失效分析工作

（PPT-3）

我们先来回顾一下几个重要的概念

首先是材料科学与工程的四要素

它们分别是成分、结构、制备/加工和性能

注意，我们把性能拆解成性质和效能

（PPT-4）

这四个要素是以这样的四面体的形式

连接在一起

称为材料科学与工程四面体

为什么四要素要以四面体的形式相联系呢？

我们可以看到

这个四面体由六条边和四个顶点构成

任意一个顶点都与其它三个顶点相联系

当四个要素各自占据一个顶点位置的时候

也就意味着

四要素之间是相互联系、相互影响的关系

（PPT-5）

好的，我们再来解释一下什么是失效分析

我们先来看一些零部件的失效图片

（PPT-6）

比如这是一个零部件

在经过热处理之后发生的断裂

（PPT-7）

这是一个工程机械设备上使用的截齿的失效照片

该零件发生了严重的磨损和弯折变形

（PPT-8）

这是一个轴承的内圆表面

可以看到一条明显的裂纹

（PPT-9）

这是一个轧辊，其表面出现了剥落

（PPT-10）

什么是失效分析呢？

对于我们机械专业、材料专业而言

失效分析指的是根据零部件的失效模式和现象

通过对失效零部件的分析和验证

模拟其重现失效的现象

找出其失效的原因和机理的科学活动

失效分析对于提高产品质量

开展技术开发和改进

产品修复及仲裁失效事故等方面

具有很强的实际意义

（PPT-11）

我们刚才回顾了

这个知识点将要用到的几个重要概念

下面我们就开始讲解

如何利用材料科学与工程四面体

来开展失效分析工作

（PPT-12）

我们不妨用一个案例来形象地说明

今天我们带来的案例

就是著名的泰坦尼克号沉船事件

（PPT-13）

1912年4月10日

当时世界上最豪华、最庞大的客运轮船泰坦尼克号

从英国南安普墩出发驶向纽约

开始了她的第一次航行

两天后的深夜，泰坦尼克号撞上冰山

之后船体裂成两半沉入大西洋

船上载有的2208人中

超过1500多人遇难

成为人类历史上在和平时期死伤最惨重的海难之一

（固定字幕：

摘自卡梅隆导演的《泰坦尼克号》）

（PPT-14）

有人说

泰坦尼克号的沉没

是因为船长要超速行驶以创造新的航行记录

有人说是因为船员的疏忽而没有发现海上的冰山

有人说是因为应急处理措施不当

众说纷纭

那么，从我们材料科学的角度出发

如何分析这一事件呢？

我们就用材料科学与工程四面体

来分析泰坦尼克号的沉船事件

（PPT-15）

首先我们得找到沉船的材料或零部件

幸运的是，在20世纪80年代

欧洲的探险家在大西洋底发现了泰坦尼克号的残骸

并取回了船上的甲板材料、铆钉等一些零部件

（PPT-16）

我们首先分析一下甲板材料的微观结构

大家看

这就是泰坦尼克号甲板材料的扫描电镜图

从这张图上我们可以看到

灰白色的组织是珠光体组织

而颜色较深的部分是铁素体组织

还有黑色的区域是一些夹杂物

大家看到，这样的微观组织有什么问题呢？

首先我们看到的是珠光体组织有尖锐的棱角

那么尖锐的棱角会造成很严重的应力集中现象

那么其次其晶粒呈现方向性的生长

第三，我们看到它的珠光体的片层是非常粗大的

好的，从我们刚才的分析发现

这样的微观结构

存在着应力集中、力学性能差、塑性差的缺点

（PPT-17）

然后我们再来看一下它的制备加工

从这样具有方向性的晶粒分布来看

我们知道

这样的甲板材料是经过轧制加工而形成的

（PPT-18）

第三个，我们来看一下甲板材料的成分

还是要回到这张微观结构图上来

我们看到颜色发黑的部分就是我们刚才提到的夹杂物

经过成分分析，它是MnS的夹杂物

我们看到在这张微观结构图当中

有较多的夹杂物存在

而且有的夹杂物的体积还比较大

值得注意的是

我们把这个甲板材料与ASTMA36的甲板材料相比

Mn含量是偏低的，S含量是偏高的

那么S含量的偏高会造成什么问题呢？

（PPT-19）

根据现在的金属材料学知识

我们知道，随着S含量的上升

它会使得材料的硬度上升

但是它的冲击吸收功

也就是它的韧性会急剧下降

那么有的同学就会问

为什么泰坦尼克号（甲板材料）的S含量那么高呢？

是因为在二十世纪初的时候

人们对于金属材料的力学性能还没有全面的了解

当时的人们只知道把甲板材料做得越硬越好

而忽视了它的韧性

（PPT-20）

最后我们来看一下它的甲板材料的性能

经过测试，该船用甲板材料的

纵向的韧脆转变温度为32℃

横向的韧脆转变温度为56℃

而事发时海水温度为-2℃

那么韧脆转变温度是怎么回事呢？

我们知道，随着温度的上升

对于金属材料而言

它的冲击吸收功由低向高变化

在较低的冲击吸收功范围内会发生脆性断裂

在较高的冲击吸收功范围内会发生韧性断裂

而冲击吸收功发生剧变的这个温度就叫做韧脆转变温度

一般而言，我们要在韧性断裂的区域来使用零部件

（这区域）是零部件的安全使用温度范围

而发生脆性断裂的区域是零部件的危险使用温度范围

（PPT-21）

我们来看看泰坦尼克号的甲板材料

它恰恰是在零部件的危险使用温度范围

发生脆性断裂的区域进行了服役

因此它的快速沉没就不足为怪了

（PPT-22）

以上就是利用材料科学与工程四面体

对泰坦尼克号开展时效分析的实例

大家可以根据屏幕下方的链接地址

去查看更多的关于泰坦尼克号海船的材料分析

固定字幕：

（来源：

http:

//www.tms.org/pubs/journals/JOM/9801/Felkins-9801.html#ToC6）

（PPT-23）

好的，这个知识点就讲解到这里

我们来做一个小结

（PPT-24）

首先我们要利用材料科学与工程的四要素

来寻找它们之间的相互关系

从这个四面体来出发

来进行材料的失效分析

这样的话，我们就能找到问题的答案

（PPT-25）

好的。

这个知识点就讲解到这里

谢谢大家，再见！

！

（PPT-26）

（结束页，无台词）