材料工程标准与实施课程教学改革浅谈

韩永典

（天津大学材料科学与工程学院，天津 300350）

0 引言

在材料工程领域，标准的制定有利于保证企业良性竞争， 并在促进材料研究发展方面发挥着重要作用。当前我国正致力于标准化工作的发展，但与国外相比仍有不足。因此学习材料工程标准与实施课程，增进对标准的了解，对今后在科研上的应用甚至标准的制定都具有重要的价值。其中，腐蚀是材料较为常见的失效形式，已成为深海等服役条件下制约材料服役寿命及服役安全性的重要因素之一，是评价管道结构完整性的重要指标。对于性能最为薄弱的焊接接头，腐蚀方面的标准更为重要，有助于在严苛服役条件下保证材料具有优良的性能，从而保证材料的安全性，节约成本并提高资源开发效率。材料工程（焊接）专业与工程实际具有十分重要的联系，而腐蚀对评价材料结构完整性，保证服役安全性具有不可忽视的作用。通过工程实际与课题研究相结合来介绍腐蚀的具体形式并引出相关的标准，可以使学生对腐蚀方面标准的内容及应用有更为深入的了解。

1 材料工程标准与实施课程教学中存在的问题

学生对材料工程标准的概念较为模糊，认识不到位，与材料的结构、加工工艺等专业课程相比接触较少，将导致学生学习兴趣下降。其原因如下：（1）由于尚未进行科学研究，学生接触材料工程标准的机会较少，基础知识相对薄弱，并不清楚其应用背景及意义，无法根据给定条件选择适合的评价标准。（2）腐蚀大多发生于较为严苛的环境， 腐蚀介质可能是强酸、强碱、中性溶液，或有毒气体。出于安全考虑，学生不能深入接触。另外，腐蚀试验检测方法众多、试验周期较长，除腐蚀介质外可能还需要专属设备、高温或通电等外界条件，不适合课堂演示。由于以上两种因素，对腐蚀的介绍主要以理论知识为主，无法做到与工程实际相结合。（3）腐蚀虽然是生活中较为常见的材料失效形式，但腐蚀包含多种形态，其中的一些并不常见，学生对其认识不够。

综上所述， 需对材料工程标准与实施课程进行改革以提高学生对课程的重视程度， 并培养学生运用标准解决工程问题的能力，为日后的科学研究奠定基础。

2 材料工程标准与实施教学改革

基于上述问题从教学内容与教学方法两方面进行改革， 以提高学生对腐蚀相关材料工程标准的理解，并强化其实际应用能力。

2.1 教学内容改革

材料种类、腐蚀形式、腐蚀介质及服役环境多样，无法对每一种情况进行详细讲解，因此需要进行教学内容优化，并根据工程应用中不同腐蚀形态的发生频率及危害情况进行学时规划。除介绍每种腐蚀形态的定义及形成条件外， 还需紧跟材料工程发展的前沿，基于近期的项目进行研究方法和调研分析过程的具体讲解，以加深学生对课程的理解，提高学生对科学研究的兴趣，并培养其独立设计试验解决工程问题的能力。对于材料工程标准与实施课程，近些年更新的课程内容如下：

（1）某石油平台316L 不锈钢管线失效分析：针对平台加水过程中发现的316L 不锈钢漏点（见图1）进行调研分析，首先从宏观方面确定泄露位置，对失效管段母材及焊接接头的成分、 金相组织进行分析，随后分别对母材及焊接接头进行电化学分析，探究不同区域的点蚀敏感性，再通过扫描电镜（SEM）及能谱（EDS）推测诱发腐蚀的介质和产物，最终提出优化建议，并通过热模拟获得耐蚀性能最差的热影响区粗晶区组织，选取耐点蚀、耐晶间腐蚀的参数，开发奥氏体不锈钢抗点蚀抗晶间腐蚀的焊接工艺。

图1 管线失效分析案例

（2）基于热模拟技术的X100 管线钢焊接热影响区硫化氢应力腐蚀开裂（SSCC）行为研究：作为一种低应力破坏形式， 硫化氢应力腐蚀多发生于油气开发过程中，将造成严重的经济损失，因此需选用低成本可焊性优良的低合金高强钢作为母材。另外，需制定合适的焊接工艺，提供科学指导。通过热模拟的方式得到了性能最差的打底焊的粗晶区和填充、 盖面焊的临界再热粗晶区组织，随后进行试验（见图2）选择适合的焊接参数以保证焊接接头具有优异的抗SSCC 性能。

图2 焊接接头SSCC 敏感性研究

2.2 教学方法的改革

材料工程标准与实施课程涉及的工程标准较多且相对复杂，因此需要对每个标准进行分类，将内容整理为一条主线。首先介绍腐蚀的基本原理并分析各类腐蚀的影响因素，随后考虑如何合理选取母材以满足低成本、高耐蚀性要求，再介绍焊接接头抗环境开裂控制方法及措施，从而制定合理的焊接参数，最后依据标准对于给定焊接接头的耐蚀性能进行评价，让学生将所有的知识点串联起来，更全面地了解工程实际应用中从选材，到工艺制定、产品检测的过程，意识到材料工程专业与生产实际的联系，并对这门课程的重要性有更清晰的认识。

在失效形式的介绍时，应尽量将各类失效形式同时介绍，便于比较其异同，如湿硫化氢环境下材料的开裂类型包含氢鼓泡（HB）、氢致开裂（HIC）、应利导向氢致开裂（SOHIC）、硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）都是酸性环境中硫化氢作用造成的损伤形式，但存在明显区别， 其中HB 是由氢聚集形成的巨大内压形成的孔穴结构，HIC 是HB 裂纹相互连接形成的阶梯状内裂纹，二者不需要外应力的作用；而SOHIC 是应力作用下夹杂物或缺陷处氢聚集形成小裂纹的叠加形成，SSCC 是氢固溶于钢的晶格使钢脆性增加而在应力作用下形成的开裂。另外，还需给出标准的适用条件。如NACE MR0175/ISO15156-1 适用于钻井设备、油气井设备、出油管、输送管线等，但也允许应用于仅暴露在成分受控钻井液中的设备、 抽油泵和抽油杆、表压低于4.3 bar 的原油储存和处理设施及家用处理气管线等； 低碳钢和低合金钢的SSCC、HIC、SOHIC和/或SZC（软区开裂）试验方法参照NACE MR0175/ISO15156-2，而耐蚀合金和其他合金SSCC、SSC（应力腐蚀）和HSC（电偶诱发氢应力开裂）试验方法按NACE MR0175/ISO15156-3 进行选择等。

另外，案例分析时对科研方法的介绍也应尽可能详细，为学生提供解决问题的思路。比如，热影响区中的某些亚区在实际的焊缝中长度较窄， 不利于组织的观察和性能测试， 因此对母材进行与焊接相似的热循环过程，获得单一的热模拟组织，实现精确模拟（图3）；由于硫化氢具有毒性，为确保试验的安全性，使用10-3 M S2O32-的NACE TM 0177 A 溶液代替含饱和硫化氢的NACE TM 0177 A。这种对案例的详细讲解将引导学生掌握更为实用的知识，将理论与实践相结合，调动学生学习的积极性。

图3 焊接热模拟案例

3 考核成绩的评定

课程的考核评定是学生最关心的问题，但传统的笔试存在一定的局限性。一方面，材料工程标准与实施课程包含了较多的知识点与标准，仅凭试卷无法实现授课内容的全面考核；另一方面，这门课程与工程应用密切相关，不适合通过笔试衡量学生对课程的认识程度。部分学生可能会在考前突击复习而不认真学习课堂上的内容， 这是在授课过程中不希望看到的。为了尽可能避免这种情况，应该降低期末笔试在总分中的比例，并适当提高平时成绩，从多方面对学生进行考核。例如，可以增设随堂测试以便充分了解学生对每堂课的接受情况，还可以让学生以小组为单位进行课堂展示， 通过课后查阅文献与课上内容相结合，介绍一些在工程上出现的腐蚀问题及解决方案，并结合已学习的工程标准尝试以另一种思路来解决问题等。该环节可以根据小组课件的质量、讲解的效果、与课程的相关性、内容的创新性及组元的参与程度进行评分，以对学生的素质进行考核。课件的制作与讲解是研究生必须具备的技能，而小组活动可以培养学生的组内合作能力，交流的过程也可以增进对课程的理解，将提升学生学习的主动性。另外，在期末考核时应重点关注学生运用所学知识解决实际问题的能力，尽量减少卷面上的基础题，增加开放式论述题，帮助学生将所学知识与工程实际结合起来，解决工程应用方面的问题（见图4），做到学以致用，并为日后的课程设计奠定坚实的基础。

图4 分析焊接接头腐蚀失效样例

4 结语

随着材料在腐蚀环境下服役频率的增加，腐蚀已成为急需解决的工程问题。高校只有不断改革材料工程标准与实施课程教学，引导学生利用工程标准解决腐蚀的问题、评价材料耐蚀性能，才能促进新材料新焊接工艺的设计开发。