材料工程標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施課程教學(xué)改革淺談

韓永典

（天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350）

0 引言

在材料工程領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)的制定有利于保證企業(yè)良性競(jìng)爭(zhēng)， 并在促進(jìn)材料研究發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。當(dāng)前我國(guó)正致力于標(biāo)準(zhǔn)化工作的發(fā)展，但與國(guó)外相比仍有不足。因此學(xué)習(xí)材料工程標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施課程，增進(jìn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的了解，對(duì)今后在科研上的應(yīng)用甚至標(biāo)準(zhǔn)的制定都具有重要的價(jià)值。其中，腐蝕是材料較為常見(jiàn)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(píng)價(jià)管道結(jié)構(gòu)完整性的重要指標(biāo)。對(duì)于性能最為薄弱的焊接接頭，腐蝕方面的標(biāo)準(zhǔn)更為重要，有助于在嚴(yán)苛服役條件下保證材料具有優(yōu)良的性能，從而保證材料的安全性，節(jié)約成本并提高資源開(kāi)發(fā)效率。材料工程（焊接）專業(yè)與工程實(shí)際具有十分重要的聯(lián)系，而腐蝕對(duì)評(píng)價(jià)材料結(jié)構(gòu)完整性，保證服役安全性具有不可忽視的作用。通過(guò)工程實(shí)際與課題研究相結(jié)合來(lái)介紹腐蝕的具體形式并引出相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，可以使學(xué)生對(duì)腐蝕方面標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容及應(yīng)用有更為深入的了解。

1 材料工程標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

學(xué)生對(duì)材料工程標(biāo)準(zhǔn)的概念較為模糊，認(rèn)識(shí)不到位，與材料的結(jié)構(gòu)、加工工藝等專業(yè)課程相比接觸較少，將導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣下降。其原因如下：（1）由于尚未進(jìn)行科學(xué)研究，學(xué)生接觸材料工程標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)會(huì)較少，基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)薄弱，并不清楚其應(yīng)用背景及意義，無(wú)法根據(jù)給定條件選擇適合的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。（2）腐蝕大多發(fā)生于較為嚴(yán)苛的環(huán)境， 腐蝕介質(zhì)可能是強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、中性溶液，或有毒氣體。出于安全考慮，學(xué)生不能深入接觸。另外，腐蝕試驗(yàn)檢測(cè)方法眾多、試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，除腐蝕介質(zhì)外可能還需要專屬設(shè)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(duì)腐蝕的介紹主要以理論知識(shí)為主，無(wú)法做到與工程實(shí)際相結(jié)合。（3）腐蝕雖然是生活中較為常見(jiàn)的材料失效形式，但腐蝕包含多種形態(tài)，其中的一些并不常見(jiàn)，學(xué)生對(duì)其認(rèn)識(shí)不夠。

綜上所述， 需對(duì)材料工程標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施課程進(jìn)行改革以提高學(xué)生對(duì)課程的重視程度， 并培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)解決工程問(wèn)題的能力，為日后的科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

2 材料工程標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施教學(xué)改革

基于上述問(wèn)題從教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法兩方面進(jìn)行改革， 以提高學(xué)生對(duì)腐蝕相關(guān)材料工程標(biāo)準(zhǔn)的理解，并強(qiáng)化其實(shí)際應(yīng)用能力。

2.1 教學(xué)內(nèi)容改革

材料種類、腐蝕形式、腐蝕介質(zhì)及服役環(huán)境多樣，無(wú)法對(duì)每一種情況進(jìn)行詳細(xì)講解，因此需要進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化，并根據(jù)工程應(yīng)用中不同腐蝕形態(tài)的發(fā)生頻率及危害情況進(jìn)行學(xué)時(shí)規(guī)劃。除介紹每種腐蝕形態(tài)的定義及形成條件外， 還需緊跟材料工程發(fā)展的前沿，基于近期的項(xiàng)目進(jìn)行研究方法和調(diào)研分析過(guò)程的具體講解，以加深學(xué)生對(duì)課程的理解，提高學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的興趣，并培養(yǎng)其獨(dú)立設(shè)計(jì)試驗(yàn)解決工程問(wèn)題的能力。對(duì)于材料工程標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施課程，近些年更新的課程內(nèi)容如下：

（1）某石油平臺(tái)316L 不銹鋼管線失效分析：針對(duì)平臺(tái)加水過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的316L 不銹鋼漏點(diǎn)（見(jiàn)圖1）進(jìn)行調(diào)研分析，首先從宏觀方面確定泄露位置，對(duì)失效管段母材及焊接接頭的成分、 金相組織進(jìn)行分析，隨后分別對(duì)母材及焊接接頭進(jìn)行電化學(xué)分析，探究不同區(qū)域的點(diǎn)蝕敏感性，再通過(guò)掃描電鏡（SEM）及能譜（EDS）推測(cè)誘發(fā)腐蝕的介質(zhì)和產(chǎn)物，最終提出優(yōu)化建議，并通過(guò)熱模擬獲得耐蝕性能最差的熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織，選取耐點(diǎn)蝕、耐晶間腐蝕的參數(shù)，開(kāi)發(fā)奧氏體不銹鋼抗點(diǎn)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(shù)的X100 管線鋼焊接熱影響區(qū)硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SSCC）行為研究：作為一種低應(yīng)力破壞形式， 硫化氫應(yīng)力腐蝕多發(fā)生于油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，因此需選用低成本可焊性優(yōu)良的低合金高強(qiáng)鋼作為母材。另外，需制定合適的焊接工藝，提供科學(xué)指導(dǎo)。通過(guò)熱模擬的方式得到了性能最差的打底焊的粗晶區(qū)和填充、 蓋面焊的臨界再熱粗晶區(qū)組織，隨后進(jìn)行試驗(yàn)（見(jiàn)圖2）選擇適合的焊接參數(shù)以保證焊接接頭具有優(yōu)異的抗SSCC 性能。

圖2 焊接接頭SSCC 敏感性研究

2.2 教學(xué)方法的改革

材料工程標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施課程涉及的工程標(biāo)準(zhǔn)較多且相對(duì)復(fù)雜，因此需要對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，將內(nèi)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(huán)境開(kāi)裂控制方法及措施，從而制定合理的焊接參數(shù)，最后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于給定焊接接頭的耐蝕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，讓學(xué)生將所有的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，更全面地了解工程實(shí)際應(yīng)用中從選材，到工藝制定、產(chǎn)品檢測(cè)的過(guò)程，意識(shí)到材料工程專業(yè)與生產(chǎn)實(shí)際的聯(lián)系，并對(duì)這門(mén)課程的重要性有更清晰的認(rèn)識(shí)。

在失效形式的介紹時(shí)，應(yīng)盡量將各類失效形式同時(shí)介紹，便于比較其異同，如濕硫化氫環(huán)境下材料的開(kāi)裂類型包含氫鼓泡（HB）、氫致開(kāi)裂（HIC）、應(yīng)利導(dǎo)向氫致開(kāi)裂（SOHIC）、硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SSCC）都是酸性環(huán)境中硫化氫作用造成的損傷形式，但存在明顯區(qū)別， 其中HB 是由氫聚集形成的巨大內(nèi)壓形成的孔穴結(jié)構(gòu)，HIC 是HB 裂紋相互連接形成的階梯狀內(nèi)裂紋，二者不需要外應(yīng)力的作用；而SOHIC 是應(yīng)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(yīng)力作用下形成的開(kāi)裂。另外，還需給出標(biāo)準(zhǔn)的適用條件。如NACE MR0175/ISO15156-1 適用于鉆井設(shè)備、油氣井設(shè)備、出油管、輸送管線等，但也允許應(yīng)用于僅暴露在成分受控鉆井液中的設(shè)備、 抽油泵和抽油桿、表壓低于4.3 bar 的原油儲(chǔ)存和處理設(shè)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(qū)開(kāi)裂）試驗(yàn)方法參照NACE MR0175/ISO15156-2，而耐蝕合金和其他合金SSCC、SSC（應(yīng)力腐蝕）和HSC（電偶誘發(fā)氫應(yīng)力開(kāi)裂）試驗(yàn)方法按NACE MR0175/ISO15156-3 進(jìn)行選擇等。

另外，案例分析時(shí)對(duì)科研方法的介紹也應(yīng)盡可能詳細(xì)，為學(xué)生提供解決問(wèn)題的思路。比如，熱影響區(qū)中的某些亞區(qū)在實(shí)際的焊縫中長(zhǎng)度較窄， 不利于組織的觀察和性能測(cè)試， 因此對(duì)母材進(jìn)行與焊接相似的熱循環(huán)過(guò)程，獲得單一的熱模擬組織，實(shí)現(xiàn)精確模擬（圖3）；由于硫化氫具有毒性，為確保試驗(yàn)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(duì)案例的詳細(xì)講解將引導(dǎo)學(xué)生掌握更為實(shí)用的知識(shí)，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

圖3 焊接熱模擬案例

3 考核成績(jī)的評(píng)定

課程的考核評(píng)定是學(xué)生最關(guān)心的問(wèn)題，但傳統(tǒng)的筆試存在一定的局限性。一方面，材料工程標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施課程包含了較多的知識(shí)點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)，僅憑試卷無(wú)法實(shí)現(xiàn)授課內(nèi)容的全面考核；另一方面，這門(mén)課程與工程應(yīng)用密切相關(guān)，不適合通過(guò)筆試衡量學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)識(shí)程度。部分學(xué)生可能會(huì)在考前突擊復(fù)習(xí)而不認(rèn)真學(xué)習(xí)課堂上的內(nèi)容， 這是在授課過(guò)程中不希望看到的。為了盡可能避免這種情況，應(yīng)該降低期末筆試在總分中的比例，并適當(dāng)提高平時(shí)成績(jī)，從多方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核。例如，可以增設(shè)隨堂測(cè)試以便充分了解學(xué)生對(duì)每堂課的接受情況，還可以讓學(xué)生以小組為單位進(jìn)行課堂展示， 通過(guò)課后查閱文獻(xiàn)與課上內(nèi)容相結(jié)合，介紹一些在工程上出現(xiàn)的腐蝕問(wèn)題及解決方案，并結(jié)合已學(xué)習(xí)的工程標(biāo)準(zhǔn)嘗試以另一種思路來(lái)解決問(wèn)題等。該環(huán)節(jié)可以根據(jù)小組課件的質(zhì)量、講解的效果、與課程的相關(guān)性、內(nèi)容的創(chuàng)新性及組元的參與程度進(jìn)行評(píng)分，以對(duì)學(xué)生的素質(zhì)進(jìn)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(dòng)可以培養(yǎng)學(xué)生的組內(nèi)合作能力，交流的過(guò)程也可以增進(jìn)對(duì)課程的理解，將提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。另外，在期末考核時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，盡量減少卷面上的基礎(chǔ)題，增加開(kāi)放式論述題，幫助學(xué)生將所學(xué)知識(shí)與工程實(shí)際結(jié)合起來(lái)，解決工程應(yīng)用方面的問(wèn)題（見(jiàn)圖4），做到學(xué)以致用，并為日后的課程設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖4 分析焊接接頭腐蝕失效樣例

4 結(jié)語(yǔ)

隨著材料在腐蝕環(huán)境下服役頻率的增加，腐蝕已成為急需解決的工程問(wèn)題。高校只有不斷改革材料工程標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施課程教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生利用工程標(biāo)準(zhǔn)解決腐蝕的問(wèn)題、評(píng)價(jià)材料耐蝕性能，才能促進(jìn)新材料新焊接工藝的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。