材料工程標準與實施課程教學改革淺談

韓永典

（天津大學材料科學與工程學院，天津 300350）

0 引言

在材料工程領域，標準的制定有利于保證企業良性競爭， 并在促進材料研究發展方面發揮著重要作用。當前我國正致力于標準化工作的發展，但與國外相比仍有不足。因此學習材料工程標準與實施課程，增進對標準的了解，對今后在科研上的應用甚至標準的制定都具有重要的價值。其中，腐蝕是材料較為常見的失效形式，已成為深海等服役條件下制約材料服役壽命及服役安全性的重要因素之一，是評價管道結構完整性的重要指標。對于性能最為薄弱的焊接接頭，腐蝕方面的標準更為重要，有助于在嚴苛服役條件下保證材料具有優良的性能，從而保證材料的安全性，節約成本并提高資源開發效率。材料工程（焊接）專業與工程實際具有十分重要的聯系，而腐蝕對評價材料結構完整性，保證服役安全性具有不可忽視的作用。通過工程實際與課題研究相結合來介紹腐蝕的具體形式并引出相關的標準，可以使學生對腐蝕方面標準的內容及應用有更為深入的了解。

1 材料工程標準與實施課程教學中存在的問題

學生對材料工程標準的概念較為模糊，認識不到位，與材料的結構、加工工藝等專業課程相比接觸較少，將導致學生學習興趣下降。其原因如下：（1）由于尚未進行科學研究，學生接觸材料工程標準的機會較少，基礎知識相對薄弱，并不清楚其應用背景及意義，無法根據給定條件選擇適合的評價標準。（2）腐蝕大多發生于較為嚴苛的環境， 腐蝕介質可能是強酸、強堿、中性溶液，或有毒氣體。出于安全考慮，學生不能深入接觸。另外，腐蝕試驗檢測方法眾多、試驗周期較長，除腐蝕介質外可能還需要專屬設備、高溫或通電等外界條件，不適合課堂演示。由于以上兩種因素，對腐蝕的介紹主要以理論知識為主，無法做到與工程實際相結合。（3）腐蝕雖然是生活中較為常見的材料失效形式，但腐蝕包含多種形態，其中的一些并不常見，學生對其認識不夠。

綜上所述， 需對材料工程標準與實施課程進行改革以提高學生對課程的重視程度， 并培養學生運用標準解決工程問題的能力，為日后的科學研究奠定基礎。

2 材料工程標準與實施教學改革

基于上述問題從教學內容與教學方法兩方面進行改革， 以提高學生對腐蝕相關材料工程標準的理解，并強化其實際應用能力。

2.1 教學內容改革

材料種類、腐蝕形式、腐蝕介質及服役環境多樣，無法對每一種情況進行詳細講解，因此需要進行教學內容優化，并根據工程應用中不同腐蝕形態的發生頻率及危害情況進行學時規劃。除介紹每種腐蝕形態的定義及形成條件外， 還需緊跟材料工程發展的前沿，基于近期的項目進行研究方法和調研分析過程的具體講解，以加深學生對課程的理解，提高學生對科學研究的興趣，并培養其獨立設計試驗解決工程問題的能力。對于材料工程標準與實施課程，近些年更新的課程內容如下：

（1）某石油平臺316L 不銹鋼管線失效分析：針對平臺加水過程中發現的316L 不銹鋼漏點（見圖1）進行調研分析，首先從宏觀方面確定泄露位置，對失效管段母材及焊接接頭的成分、 金相組織進行分析，隨后分別對母材及焊接接頭進行電化學分析，探究不同區域的點蝕敏感性，再通過掃描電鏡（SEM）及能譜（EDS）推測誘發腐蝕的介質和產物，最終提出優化建議，并通過熱模擬獲得耐蝕性能最差的熱影響區粗晶區組織，選取耐點蝕、耐晶間腐蝕的參數，開發奧氏體不銹鋼抗點蝕抗晶間腐蝕的焊接工藝。

圖1 管線失效分析案例

（2）基于熱模擬技術的X100 管線鋼焊接熱影響區硫化氫應力腐蝕開裂（SSCC）行為研究：作為一種低應力破壞形式， 硫化氫應力腐蝕多發生于油氣開發過程中，將造成嚴重的經濟損失，因此需選用低成本可焊性優良的低合金高強鋼作為母材。另外，需制定合適的焊接工藝，提供科學指導。通過熱模擬的方式得到了性能最差的打底焊的粗晶區和填充、 蓋面焊的臨界再熱粗晶區組織，隨后進行試驗（見圖2）選擇適合的焊接參數以保證焊接接頭具有優異的抗SSCC 性能。

圖2 焊接接頭SSCC 敏感性研究

2.2 教學方法的改革

材料工程標準與實施課程涉及的工程標準較多且相對復雜，因此需要對每個標準進行分類，將內容整理為一條主線。首先介紹腐蝕的基本原理并分析各類腐蝕的影響因素，隨后考慮如何合理選取母材以滿足低成本、高耐蝕性要求，再介紹焊接接頭抗環境開裂控制方法及措施，從而制定合理的焊接參數，最后依據標準對于給定焊接接頭的耐蝕性能進行評價，讓學生將所有的知識點串聯起來，更全面地了解工程實際應用中從選材，到工藝制定、產品檢測的過程，意識到材料工程專業與生產實際的聯系，并對這門課程的重要性有更清晰的認識。

在失效形式的介紹時，應盡量將各類失效形式同時介紹，便于比較其異同，如濕硫化氫環境下材料的開裂類型包含氫鼓泡（HB）、氫致開裂（HIC）、應利導向氫致開裂（SOHIC）、硫化物應力腐蝕開裂（SSCC）都是酸性環境中硫化氫作用造成的損傷形式，但存在明顯區別， 其中HB 是由氫聚集形成的巨大內壓形成的孔穴結構，HIC 是HB 裂紋相互連接形成的階梯狀內裂紋，二者不需要外應力的作用；而SOHIC 是應力作用下夾雜物或缺陷處氫聚集形成小裂紋的疊加形成，SSCC 是氫固溶于鋼的晶格使鋼脆性增加而在應力作用下形成的開裂。另外，還需給出標準的適用條件。如NACE MR0175/ISO15156-1 適用于鉆井設備、油氣井設備、出油管、輸送管線等，但也允許應用于僅暴露在成分受控鉆井液中的設備、 抽油泵和抽油桿、表壓低于4.3 bar 的原油儲存和處理設施及家用處理氣管線等； 低碳鋼和低合金鋼的SSCC、HIC、SOHIC和/或SZC（軟區開裂）試驗方法參照NACE MR0175/ISO15156-2，而耐蝕合金和其他合金SSCC、SSC（應力腐蝕）和HSC（電偶誘發氫應力開裂）試驗方法按NACE MR0175/ISO15156-3 進行選擇等。

另外，案例分析時對科研方法的介紹也應盡可能詳細，為學生提供解決問題的思路。比如，熱影響區中的某些亞區在實際的焊縫中長度較窄， 不利于組織的觀察和性能測試， 因此對母材進行與焊接相似的熱循環過程，獲得單一的熱模擬組織，實現精確模擬（圖3）；由于硫化氫具有毒性，為確保試驗的安全性，使用10-3 M S2O32-的NACE TM 0177 A 溶液代替含飽和硫化氫的NACE TM 0177 A。這種對案例的詳細講解將引導學生掌握更為實用的知識，將理論與實踐相結合，調動學生學習的積極性。

圖3 焊接熱模擬案例

3 考核成績的評定

課程的考核評定是學生最關心的問題，但傳統的筆試存在一定的局限性。一方面，材料工程標準與實施課程包含了較多的知識點與標準，僅憑試卷無法實現授課內容的全面考核；另一方面，這門課程與工程應用密切相關，不適合通過筆試衡量學生對課程的認識程度。部分學生可能會在考前突擊復習而不認真學習課堂上的內容， 這是在授課過程中不希望看到的。為了盡可能避免這種情況，應該降低期末筆試在總分中的比例，并適當提高平時成績，從多方面對學生進行考核。例如，可以增設隨堂測試以便充分了解學生對每堂課的接受情況，還可以讓學生以小組為單位進行課堂展示， 通過課后查閱文獻與課上內容相結合，介紹一些在工程上出現的腐蝕問題及解決方案，并結合已學習的工程標準嘗試以另一種思路來解決問題等。該環節可以根據小組課件的質量、講解的效果、與課程的相關性、內容的創新性及組元的參與程度進行評分，以對學生的素質進行考核。課件的制作與講解是研究生必須具備的技能，而小組活動可以培養學生的組內合作能力，交流的過程也可以增進對課程的理解，將提升學生學習的主動性。另外，在期末考核時應重點關注學生運用所學知識解決實際問題的能力，盡量減少卷面上的基礎題，增加開放式論述題，幫助學生將所學知識與工程實際結合起來，解決工程應用方面的問題（見圖4），做到學以致用，并為日后的課程設計奠定堅實的基礎。

圖4 分析焊接接頭腐蝕失效樣例

4 結語

隨著材料在腐蝕環境下服役頻率的增加，腐蝕已成為急需解決的工程問題。高校只有不斷改革材料工程標準與實施課程教學，引導學生利用工程標準解決腐蝕的問題、評價材料耐蝕性能，才能促進新材料新焊接工藝的設計開發。