材料腐蝕與防護(hù)課程案例教學(xué)實(shí)踐研究

張 暉

(安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 安徽 馬鞍山 243002)

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材料腐蝕與防護(hù)課程案例教學(xué)實(shí)踐研究

張 暉

(安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 安徽 馬鞍山 243002)

在材料腐蝕與防護(hù)課程教學(xué)中，授課老師以豐富的科研案例，利用科研成果輔助教學(xué)，可有效提高學(xué)生對本專業(yè)課程學(xué)習(xí)的興趣，加深對理論知識(shí)的理解，促進(jìn)創(chuàng)新和工程應(yīng)用能力的提升。

材料腐蝕與防護(hù)；案例教學(xué)法；應(yīng)用能力

材料腐蝕與防護(hù)課程是由物理化學(xué)、電化學(xué)、冶金、材料和微生物學(xué)等多學(xué)科交叉滲透所形成的一門非常重要的材料學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程。金屬的腐蝕與氧化是一種自然自發(fā)過程，我國每年因金屬材料腐蝕破壞所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過千億元，而因腐蝕破壞造成管道爆炸、泄露等間接人員和經(jīng)費(fèi)的損失更加驚人。因此，研制開發(fā)高品質(zhì)耐腐蝕用鋼，研究腐蝕規(guī)律，解決關(guān)鍵零部件腐蝕破壞、開發(fā)創(chuàng)新性的防護(hù)方法是國內(nèi)冶金、化工等支柱行業(yè)迫切需要解決的重大問題，[1]培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用背景的防腐蝕保護(hù)人才已成為企業(yè)重要的人才需求。

但是，國內(nèi)自2000年起由于高等教育專業(yè)調(diào)整，大多數(shù)工科院校逐漸將腐蝕與防護(hù)專業(yè)合并到材料工程和材料學(xué)方向，專門針對腐蝕與防護(hù)專業(yè)研究和培養(yǎng)的學(xué)生人數(shù)大大減少。因此，加強(qiáng)材料科學(xué)與工程專業(yè)本科生腐蝕與防護(hù)課程的學(xué)習(xí)，特別是以提高學(xué)生“創(chuàng)新能力、工程應(yīng)用能力”為培養(yǎng)導(dǎo)向的腐蝕與防護(hù)課程建設(shè)，可更好地吸引部分大學(xué)生未來從事腐蝕與防護(hù)方面工作，是解決防腐蝕人才短缺，工程應(yīng)用和創(chuàng)新能力不足的有效途徑。

一、材料腐蝕與防護(hù)課程基本教學(xué)內(nèi)容及存在的主要問題

材料腐蝕與防護(hù)課程主要包括金屬氧化理論、電化學(xué)腐蝕機(jī)理和材料保護(hù)方法三方面內(nèi)容，是一門理論性與實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐并重的專業(yè)基礎(chǔ)課。培養(yǎng)目標(biāo)是在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)之上，使學(xué)生能夠勝任該領(lǐng)域基本的工程應(yīng)用與研究工作，對于腐蝕失效行為具有較強(qiáng)的分析問題和解決問題的實(shí)踐能力，以及耐腐蝕產(chǎn)品開發(fā)的創(chuàng)新能力。

本課程的特點(diǎn)是基本概念和公式多，理論抽象，計(jì)算與公式推導(dǎo)較難，使學(xué)生系統(tǒng)掌握該課程的內(nèi)容比較困難，學(xué)習(xí)難以形成興趣。具體表現(xiàn)在以下方面：

教材內(nèi)容陳舊，過分偏重理論。目前金屬氧化的經(jīng)典教材主要有編譯的《金屬高溫氧化導(dǎo)論》和中科院金屬所編寫的《金屬高溫氧化和熱腐蝕》，均主要針對研究生和從事氧化工作的科研人員?！陡g電化學(xué)理論》新教材盡管每年都有出版，但內(nèi)容大體相似，偏重于電化學(xué)基礎(chǔ)理論，特別是缺乏工程實(shí)例和應(yīng)用背景。而冶金與金屬材料類本科生往往電學(xué)、化學(xué)理論基礎(chǔ)較弱，實(shí)際工作更多地面對工程應(yīng)用和性能評價(jià)，導(dǎo)致學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)和應(yīng)用的脫節(jié)，學(xué)習(xí)過程往往是從理論中來，然后經(jīng)過記憶應(yīng)付考試，缺少對實(shí)際問題分析能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

重點(diǎn)知識(shí)不突出。 金屬材料的氧化與腐蝕均是材料腐蝕與防護(hù)的重要研究內(nèi)容，但兩者又是相對獨(dú)立的內(nèi)容。目前的教材或者單獨(dú)講氧化，或者單獨(dú)探討腐蝕，很少有教材涵蓋了金屬氧化與腐蝕兩部分內(nèi)容。即使部分涵蓋了兩方面的教材，也存在所講內(nèi)容過于追求知識(shí)點(diǎn)覆蓋，但重點(diǎn)知識(shí)不突出等主要問題。

由于缺少最新的應(yīng)用和科學(xué)研究成果介紹，對于新材料的研制和新的氧化、腐蝕科學(xué)問題的不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，缺乏前沿性和指導(dǎo)性。將新的科學(xué)問題提出并將新的應(yīng)用進(jìn)展引入教材，對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，更好地掌握和理解課程是非常必要的。

二、以“創(chuàng)新能力、工程應(yīng)用能力”為培養(yǎng)導(dǎo)向的材料腐蝕與防護(hù)課程案例教學(xué)實(shí)踐

案例教學(xué)過程中教師的責(zé)任除熟悉教材外，還要求教師積極投入科研，具備相當(dāng)?shù)目蒲心芰徒?jīng)驗(yàn)。

教學(xué)案例的編選必須以科研為先導(dǎo)，有明確的針對性，確保案例的質(zhì)量。案例教學(xué)的可貴之處，正是在于它從社會(huì)實(shí)踐需求問題出發(fā)，開始教學(xué)程序，而在每一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容教學(xué)結(jié)束，又恢復(fù)到問題的解決上，從而使學(xué)生通過案例學(xué)習(xí)獲得知識(shí)應(yīng)用的經(jīng)歷和感悟，突出知識(shí)重點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用和創(chuàng)新能力。[2]例如，本課程氧化部分最重要的知識(shí)點(diǎn)是氧化膜生長理論，腐蝕部分是電化學(xué)腐蝕機(jī)理，典型教學(xué)案例如下。

金屬氧化案例教學(xué)——鐵的高溫氧化及合金選擇性氧化

對于冶金與金屬材料類本科生，氧化膜生長理論主要涉及鋼鐵材料的氧化和A-B二元合金的選擇性氧化。鐵的氧化層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從內(nèi)層到外層依次為FeO、Fe3O4、Fe2O3，但三種氧化物的生長過程學(xué)生很難理解。筆者結(jié)合科研向?qū)W生展示低碳熱軋帶鋼800 ℃氧化層掃描電鏡組織照片，從圖1可見鐵的氧化層中FeO、Fe3O4、Fe2O3從內(nèi)到外依次分布，而且鐵氧化層結(jié)構(gòu)中內(nèi)層FeO厚度占比接近90%。并據(jù)此向?qū)W生指出這主要是由于FeO生長速度較快，導(dǎo)致氧化層迅速增厚。因此，F(xiàn)eO的生成是鋼鐵材料不耐氧化重要原因，而Fe3O4、Fe2O3層較薄，有一定抗氧化保護(hù)作用。

針對A-B二元合金選擇性氧化，學(xué)生往往無法理解合金元素優(yōu)先氧化的原因和作用，不明白選擇性氧化的工程意義。筆者結(jié)合熱軋廠實(shí)際使用高鉻鑄鐵熱軋輥使用前往往需要對新輥進(jìn)行500℃預(yù)氧化“燙輥”的工程實(shí)踐，并結(jié)合氧化層組織結(jié)構(gòu)研究照片，指出高鉻鑄鐵軋輥雖然Cr含量一般低于25%，遠(yuǎn)低于基體中鐵元素含量。但是，由于Cr與O的結(jié)合力顯著高于Fe與O的結(jié)合力，新輥“燙輥”可使輥面優(yōu)先形成一層連續(xù)、致密、具有較高硬度、連接性好的Cr2O3膜，可顯著提高基體表面的耐氧化和高溫磨損性能，并進(jìn)而指出預(yù)氧化溫度的控制是促使高鉻鑄鐵中Cr元素能夠優(yōu)先氧化，形成選擇性氧化的重要因素。[3]從而使學(xué)生擺托氧化一定對材料有害的固定思維，意識(shí)到氧化理論與合金成分設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐之間的密切關(guān)系。

金屬腐蝕的案例教學(xué)——鐵的極化曲線與腐蝕機(jī)理

對于本科生而言，金屬材料的腐蝕最重要的是讓學(xué)生掌握電化學(xué)極化曲線的分析及測試方法，明白受陰、陽兩極控制的電化學(xué)腐蝕機(jī)理。一般的教材往往通過電學(xué)和化學(xué)公式來分析電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的原因，理論學(xué)習(xí)枯燥。而采用案例教學(xué)利用ppt動(dòng)畫可很方便地向?qū)W生展示三電極法測試極化曲線的過程，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。并可根據(jù)實(shí)測極化曲線講述材料耐腐蝕性能的評價(jià)指標(biāo)，以及鈍化電位和電流的分析。

此外，學(xué)生雖然能夠理解電化學(xué)腐蝕機(jī)理主要是受陰陽兩級(jí)的控制，但對電化學(xué)腐蝕的危害難以透徹理解。圖2所示是鋼鐵材料中典型的鐵素體和珠光體兩相組織表面腐蝕產(chǎn)物的生長形貌，從圖中可以看出珠光體表面腐蝕產(chǎn)物保留了鐵素體和滲碳體層片狀生長特征，這主要是由于珠光體中鐵素體和滲碳體電極電位相差較大，形成陰陽兩級(jí)。學(xué)生可直觀地從圖中明白受陰陽兩級(jí)控制的電化學(xué)腐蝕對材料腐蝕危害巨大，是材料腐蝕加速的重要原因。

三、結(jié)語

大學(xué)教育是教師與學(xué)生的互動(dòng)。案例教學(xué)可以將教師的學(xué)術(shù)成果和講授課程很好地銜接，將教師的科學(xué)研究體驗(yàn)傳授給學(xué)生，充實(shí)提高課程內(nèi)容。每一個(gè)案例對學(xué)生都是一次全面的綜合訓(xùn)練，可加強(qiáng)理論與實(shí)踐的結(jié)合，鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)加深對理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新意識(shí)。

[1]孫寶龍，曹薦，斯庭智，張慶安. 帶銹層NSB鋼在模擬海水中的電化學(xué)腐蝕行為[J]. 安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013, 30(2): 124-128.

[2]席培勝，劉蘭. 案例教學(xué)在巖土工程專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2012, 29(2): 132-133.

[3]胡灶福，張暉. 高鉻鑄鐵高溫氧化產(chǎn)物轉(zhuǎn)變和動(dòng)力學(xué)研究[J]. 熱加工工藝，2013, 42(4): 157-160.

[4]車馬俊，張暉，穆海玲，萬蘭鳳. 成分調(diào)整對09CuPCrNi 耐候鋼耐腐蝕性能的影響[J]. 熱加工工藝，2009,38(14): 17-20.

(責(zé)任編輯 汪繼友)

Research on the Case Teaching and Practice of the Course Materials Corrosion and Protection

ZHANG HUI

(School of Materials Science and Engineering, AHUT, Maanshan 243002, Anhui, China)

The teaching of materials corrosion and protection is expected to efficiently enhance the students' interest in their study of courses by use of the scientific research achievements as an assistant teaching method with plenty of scientific research cases, make the deep understanding of theoretical theories and promote their abilities in the innovation and engineering application.

materials corrosion and protection; case teaching method; ability of application

2015-07-02

張 暉(1976-)，男，安徽馬鞍山人，安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授，博士。

G642.0

A

1671-9247(2015)06-0076-02