材料类专业基础课程教学与科学研究

摘要：大科学时代，教学与科研紧密关联已成为当代高等教育教学改革的核心与共识。在人才培养的过程中，教师需要在材料类专业基础课程现有教学改革的基础上，将与课程所讲知识相关的最新高水平科研成果融入课堂教学，以激发学生的学习兴趣，提高学生的创新能力和实践能力。

关键词：材料类专业基础课程；科学研究；教学与科研融合；创新

1研究背景

2019年9月，教育部《深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》，其中明确指出“科研反哺教学”，旨在强化科研育人功能，推动高校及时把最新科研成果转化为教学内容，激发学生的学习兴趣，以高水平的科学研究提高学生的创新能力和实践能力。材料科学作为一门融合了基础知识和前沿应用的交叉学科，主要研究材料的结构、制备、性质以及使役行为之间的相互关系和变化规律。它的出现一方面大大促进了材料学科的研究和发展，另一方面也扩大了高校的教学领域和内容，已成为重要的科技基础学科之一，也是最活跃的研究领域之一。因此，在材料类专业基础课程教学过程中，将最新的科研成果融入教学内容，选择具有代表性的高水平科研成果作为具体教学案例，结合专业课程授课内容，融入课堂教学环节，是材料类专业基础课程开展教学改革的必经之路，对材料类本科人才的培养具有重要意义。教学案例的引入有助于及时修订和充实课程教学内容，锻炼学生利用所学基础理论知识解决学术问题和工程问题的能力；同时，结合课程思政，使学生通过最新的科研进展，了解国家的重大需求，鼓励学生立志为解决国家科技前沿问题而努力学习。为此，本文提出了三个课堂教学案例，并分析了教学与科研融合的开展方式和途径。

2科研与教学融合的案例

2.1固溶体合金中溶质原子分布的化学短程序及其对性能的影响

在材料类专业的多门基础课程教学中，常涉及固溶体合金的相关内容。固溶体合金的典型结构特征是溶质原子分布的微观不均匀性，这会对合金的宏观性能产生影响。事实上，只用简单的二维原子排列示意图，很难让学生深刻理解固溶体合金微观结构与宏观性能之间的关系。这种典型特征又称为化学短程序，对于置换固溶体合金而言，虽然溶质原子占据溶剂原子的点阵位置，在长程尺度上属于随机无序替换，但在几个原子间距范围内，溶质原子呈现出有序分布特征。1960年，Cowley提出了用短程序参量α来描述固溶体合金中的化学短程序[1]，一直被沿用至今，但这个参数只能描述溶质原子最近邻分布偏离平均分布的程度，并没有给出溶质原子分布的具体局域构型。随着先进表征分析技术的不断进步，科研工作者可以从实验中观测到化学短程序，并将化学短程序特征与宏观性能密切关联。例如，在最新的科研成果中，美国加州大学伯克利分校MinorAM等人利用能量过滤的透射电子显微技术在面心立方结构的CoCrNi三元固溶体合金中观察到了化学短程序的存在，即出现了超点阵，如图1a所示[2]。该成果被发表在Nature期刊上，其中提出化学短程序的存在会影响全位错分解为肖克莱分位错时的位错间距，进而改变了堆垛层错能。RithcieRO等人的模拟计算[3]也表明借助化学短程序可调控堆垛层错能；更重要的是，较低的堆垛层错能更容易产生孪晶。他和GludovatzB等人发表在Science上的研究成果表明CoCrNi合金在更低温度下表现出更高强度和大塑性(见图1b)，这是由于该合金在室温下表现为常规的位错平面滑移，而在低温下表现为纳米孪晶诱生高强大塑性[4]。可以看出，这些高水平研究成果中涉及的基本概念，如固溶体合金、化学短程序、堆垛层错、位错、孪晶、塑性变形等，都是材料类专业基础课程中出现过的内容，因此，教师在讲授完所有基础知识点后，应该用典型的科研成果将知识点串联在一起，让学生了解这些基础知识的具体应用。大连理工大学王清等人利用代表化学短程序特征的“团簇+连接原子”局域结构模型解析了Al2Ni4Co4Fe3Cr3合金中子衍射获得的实验结果(见图1c)，并指出正是由于局域化学短程序的改变才诱发了合金晶体结构的转变，即相变[5]。该团簇结构模型由任一原子和其最近邻壳层原子构成的配位多面体及次紧邻壳层上的几个原子构成，这样就将固溶体合金的化学短程序与晶体结构中的配位多面体和相变的概念关联在了一起。另外，化学短程序同样也存在于间隙固溶体合金中，北京科技大学吕昭平等人发表在Nature上的研究成果[6]表明因短程序产生的有序间隙复合物在大幅提升合金强度的同时也进一步改善了合金的塑性，这明显不同于间隙相，后者在提升强度的同时会大幅降低合金的塑性。

2.2强化机制在研发高性能先进合金材料中的应用

材料的强化机制(固溶强化、晶界强化、加工硬化、析出强化、相变强化等)也是材料类专业多门基础课程中反复强调的知识点，在传统的结构钢材料中应用最为广泛。教材中各强化机制的定义简单直观，导致学生在熟记概念的同时并不想思考得太深，尤其教师在举例说明时大都以传统钢为例，很难让学生提起学习和思考的兴趣，只是进行机械的记忆。近年来，随着科技的快速发展，我国在高性能先进结构钢领域的研发工作不断取得突破，因此在教学过程中教师应该重视强化机制内容的讲解。2017年，香港城市大学黄明欣等人发表在Science上的研究成果[7]表明，可利用变形和配分工艺在廉价中锰钢中获得超高强度(大于2.0GPa)和大塑性(延伸率大于15%)，如图2所示。利用各强化机制计算分析表明该中锰钢的超高强度主要源自马氏体基体中的高密度位错，同时也包括溶质浓度、纳米粒子、超细晶和孪晶的晶界，以及堆垛层错等缺陷对强度的贡献。在实现超高强度的同时，还能获得如此的大塑性实属不易，这主要归于两方面原因：第一，由于马氏体基体中高密度可动位错的存在提供了约6.8%的塑性变形，与实验中测得的吕德斯应变相吻合，占总塑性变形的一半；第二，增大拉伸应变，合金中的粗片状残余奥氏体会发生连续的马氏体相变，从而产生相变诱生的大塑性(TRIP效应)，同时会在细小的残余奥氏体内部发生孪晶诱生的大塑性(TWIP效应)，这两者之和提供的塑性约为总塑性变形的一半。显然，这项研究成果全面系统地将合金的强化机制和塑性变形机理两个方面涉及的基本概念融合在一起，在廉价中锰钢中最大限度地实现了合金的强韧化，值得作为课堂教学时的一个典型案例来系统讲解各知识点的应用。

2.3共格相界对微观组织及性能的影响

“相界”是材料类专业基础课程的一项重要内容，界面共格关系在一定程度上决定了析出相粒子的形貌和大小，进而影响材料的性能。所谓共格析出相，通常是固溶体的有序超结构相，故两共格相的原子在相界面上都占据结点位置，从而导致大的弹性畸变能；而半共格和非共格析出相的晶体结构都不同于固溶体结构。目前，具有共格析出的微观组织大多出现在Ni基和Co基高温合金中，其优异的高温力学性能和高温组织稳定性得益于球形或方形L12-γ'纳米粒子在面心立方FCC-γ基体上共格析出；而在其他体系的结构合金中，很难实现析出相与基体的共格关系，大多表现为半共格析出。研究表明，共格析出能够最大限度地提升材料的性能。例如，现有超高强度的马氏体时效钢的强度通常在1.4GPa～1.7GPa之间，其中析出相粒子与体心立方BCC马氏体基体多为半共格关系。北京科技大学吕昭平等人采用BCC固溶体的有序超结构B2相来强化马氏体基体，由于共格纳米粒子尺寸比半共格粒子还要细小且均匀分布，从而使得合金强度超过了2.0GPa[8]，如图3所示，由此基于共格纳米析出强化研发出了新一代超高强度钢。大连理工大学王清等人在多组元体系中采用团簇式成分方法设计BCC/B2共格组织，结合实验表征和相场模拟(见图4a)，探索共格析出粒子形貌与合金成分之间的关系[9]。此外，在Al-Co-Cr-Fe-Ni体系中，方形B2纳米粒子在BCC基体上共格析出使得合金在高温下表现出优异的组织稳定性和力学性能，而球形BCC纳米粒子在B2基体上共格析出会使得合金展现优异的软磁性能(见图4b)[10]，实现了合金的结构－功能一体化设计。可以看出，这些最新的研究成果都与材料类专业基础课程密切相关，教师应将其作为具体案例融入相关知识点的讲授过程中，这样才能激发学生对科研的兴趣。

3结语

材料类专业基础课程的教学改革归根到底还是要从以“教”为中心转到以“学”为中心，在此过程中，学生学“深”要比学“多”更加重要。因此，教师应在现有课程内容的基础上，收集与课程知识点相关的最新高水平科研成果作为具体案例，并将其融入课堂教学，如固溶体合金中溶质原子分布的化学短程序及其对性能的影响、强化机制在研发高性能先进合金材料中的应用、共格相界对微观组织及性能的影响等。教师要利用具体案例将课程中所讲的知识点串在一起，锻炼学生运用已掌握的基础理论知识解决学术问题和工程问题的能力。这种用高水平的科研成果反哺教学的模式可以有效激发学生的学习兴趣，提高学生的创新能力和实践能力。

作者：王清 康慧君 李佳艳 赵杰 单位：大连理工大学材料科学与工程学院