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篇1

冶金工程是一門研究從礦石（或其他金屬資源）中提取鋼鐵或有色金屬材料并進行加工的應用學科，可以分為化學冶金學（Chemicalmetallurgy）和物理冶金學（Physicalmetallurgy），如圖1所示。從礦石提取金屬的生產(chǎn)過程稱為化學冶金學；通過成型加工，制備有一定性能的金屬或合金材料的學科稱為物理冶金學。目前，冶金工程專業(yè)的課程設置以化學冶金學為主，包括鋼鐵冶金、冶金物理化學、冶金傳輸原理、有色金屬冶金等課程。盡管也開設金屬學，材料加工技術等課程，但內容較為寬泛，針對性不強。2007年，本文開始承擔江蘇大學冶金工程專業(yè)材料加工技術課程的教學任務，結合多年從事鋼鐵生產(chǎn)、科研的經(jīng)歷，根據(jù)自己對物理冶金和化學冶金的理解，以拓寬畢業(yè)生專業(yè)口徑、提高學生的綜合素質為目的，將教學重點調整為“塑性加工及物理冶金理論”，取得了良好的效果。

一、增加物理冶金教學內容的思路

為適應社會發(fā)展和需求，拓寬專業(yè)、寬口徑專業(yè)教育已成為冶金領域培養(yǎng)人才的重要模式。目前，冶金工程專業(yè)設置涵蓋了鋼鐵冶金專業(yè)、有色冶金專業(yè)和冶金物理化學專業(yè)，改變了過去專業(yè)劃分過細的弊端，增強了學生的適應性，提高了學生獨立工作的能力。這體現(xiàn)了教育思想觀念由“對口”向“適應”轉變的進程。但是，也應認識到，隨著冶金技術的進步，物理過程在冶金中的重要性日顯突出，物理冶金和化學冶金（傳統(tǒng)冶金）同等重要。冶金工程專業(yè)的教學重點以化學冶金學為主是毋庸置疑的，但適當增加、補充和生產(chǎn)密切相關的物理冶金學的教學內容也是大有裨益的。首先，物理冶金學和化學冶金學是冶金工程學科不可分割的組成部分。例如鋼鐵生產(chǎn)是從鐵礦石中提取鋼鐵并加工成鋼材的過程，包括煉鐵（焦化、燒結）、煉鋼、精煉、連鑄、軋鋼、熱處理等工藝環(huán)節(jié)。鋼鐵生產(chǎn)的集成技術已經(jīng)打破了冶金、軋鋼和熱處理的明確分工，尤其是薄板坯連鑄連軋技術的興起，更是將煉鋼、連鑄、軋鋼等工藝環(huán)節(jié)有效地聯(lián)系在一起。為了得到性能合格的鋼材，需要控制鋼材的化學成分和組織結構，化學冶金學可以解決化學成分控制的問題，在鋼鐵生產(chǎn)中由連鑄之前的工藝環(huán)節(jié)完成，最終的組織狀態(tài)則通過后續(xù)的成型加工和熱處理實現(xiàn)。可見，鋼鐵生產(chǎn)需要化學冶金學和物理冶金學的綜合知識，只有把兩者結合才能解釋并解決鋼鐵生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題。目前，冶金工程專業(yè)的主要教學內容為化學冶金，盡管也開設了金屬學等課程，但內容寬泛，針對性不強，學生對鋼材加工和熱處理過程中組織、結構和性能的變化不甚了了，無法對鋼鐵生產(chǎn)建立起系統(tǒng)、全面的認識。其次，物理冶金學和化學冶金學的內容是互相聯(lián)系的，通過物理冶金學的學習，能夠促進對化學冶金學的深入理解。例如：冶金過程熱力學中自由能的計算，是判別、變更或控制化學反應發(fā)生的趨勢、方向和達到平衡態(tài)的手段，運用熱力學計算可以分析鋼中元素的氧化還原問題。由于Cu氧化的標準自由能和鐵相比更高，在煉鋼吹氧過程中，將被鐵保護而不被氧化。而銅是鋼材熱加工產(chǎn)生熱脆的有害元素，這是由于加熱過程中鐵被氧化，銅在軋件表面富集，成為液相后沿奧氏體晶界滲透，弱化晶界而造成熱塑性降低。所以，只有通過配料降低鋼中的Cu含量。這樣，就會對Cu在鋼中的危害、控制及氧化還原的熱力學條件有了系統(tǒng)的認識?？梢?，通過物理冶金的學習，冶金工程專業(yè)的學生可以更加深刻地理解冶金過程熱力學中元素氧化還原的規(guī)律性，認識到合理控制化學成分的必要性。另外，物理冶金課程在冶金工程專業(yè)的引入能夠拓寬學生的知識面，增加畢業(yè)生的適應性，促進將來工作和事業(yè)的發(fā)展。鋼鐵生產(chǎn)中需要專才，更需要通才。鋼鐵生產(chǎn)的集成技術已經(jīng)打破了冶金、軋鋼和熱處理的明確分工，化學冶金學和物理冶金學的知識相互聯(lián)系、相互融合。只有具備了化學冶金學和物理冶金學的綜合知識，才能使畢業(yè)生對操作崗位的工藝特點和目的要求有更深刻的認識；在產(chǎn)品出現(xiàn)質量問題時，才能對復雜工藝環(huán)節(jié)的影響因素做出準確判斷，并制定出切實可行的解決方案。市場疲軟和原材料漲價的雙重影響，壓縮了鋼鐵行業(yè)的利潤率空間，而且產(chǎn)品的同質化競爭日趨激烈，產(chǎn)品開發(fā)日益受到重視，新產(chǎn)品開發(fā)更需要具備化學冶金學和物理冶金學的綜合知識，對冶金工程專業(yè)的畢業(yè)生在知識面和綜合能力上提出了更高的要求。例如，Ti微合金化高強鋼的開發(fā)主要是利用了納米尺寸TiC的沉淀強化作用，需要通過控制軋制和控制冷卻來實現(xiàn)，但由于鈦容易氧化的特點，必須在精煉后期用鋁充分脫氧后加入鈦才能提高其收得率。通過類似產(chǎn)品開發(fā)的實例，將枯燥的書本知識和生產(chǎn)實際結合，使學生加深對物理冶金學和化學冶金學的理解，提高綜合運用知識的能力。

二、增加物理冶金教學內容的實踐

依據(jù)冶金工程的專業(yè)特點，結合多年現(xiàn)場生產(chǎn)和科學研究的經(jīng)歷，本文自2007年起在冶金工程專業(yè)開設了“塑性加工及物理冶金理論“課程。由于江蘇大學冶金工程專業(yè)畢業(yè)生的分配去向主要是武鋼、沙鋼、興澄等鋼鐵企業(yè)，課程重點針對鋼材塑性加工過程中的物理冶金問題，講解塑性加工的原理、工藝以及物理冶金學理論，包括化學冶金的產(chǎn)品再加工和熱處理產(chǎn)生的金屬及合金組織、結構的變化，以及由此造成的金屬材料的機械、物理、化學、工藝性能的變化。課程設置在大四上學期，此時鋼鐵冶金、冶金物化和金屬學等相關教學已經(jīng)結束，學生具備了化學冶金的基礎知識，通過認識實習和生產(chǎn)實習，對鋼鐵生產(chǎn)流程和工藝環(huán)節(jié)有了一定的了解。課程設置為30學時，教學內容包括以下5個部分：（A）介紹大型鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)流程，及物理冶金在其中的地位和作用；（B）介紹鋼材的分類，重點使學生認識鋼材的用途，以及由此帶來的對成分、組織和性能的要求；（C）軋制工藝學，包括軋鋼生產(chǎn)基本工序、軋機分類、組成和布置形式、厚度和板型控制等；（D）軋制原理介紹，包括塑形加工基本概念、軋制過程基本概念、實現(xiàn)軋制過程的條件、延伸和寬展等；（E）物理冶金概論，強韌化機制，熱變形和冷卻過程中的組織變化，控制軋制和控制冷卻，微合金化元素的作用，等。采用計算機多媒體教學方式授課，大大提高了教學的效率。由于教學內容是本文多年學習和科研工作的總結，并加入許多最新成果和圖片，知識貼近實際而新鮮；注意收集國內外文獻、會議資料和各大鋼廠的生產(chǎn)實例，內容生動直觀，激發(fā)起學生強烈的學習興趣。例如，關于鋼材按用途分類，結合西氣東輸?shù)墓こ探ㄔO講述管線鋼的強度級別和性能要求；建筑用鋼的講解則展示了鳥巢、水立方美侖美奐的圖片及其中鋼材的使用情況。授課過程中擯棄了按部就班、照本宣科的填鴨式教學，采用融會貫通、舉一反三的教學方法。以不銹鋼為例，先介紹不銹鋼的相關知識，由不銹鋼的金屬學問題、耐蝕原理講述配料熔煉法、返回吹氧法和高碳真空吹煉法3個階段的發(fā)展歷史。最后，重點講述碳的選擇性氧化———奧氏體不銹鋼冶煉的去碳保鉻問題。這樣就會使學生對不銹鋼的生產(chǎn)工藝以及化學冶金學和物理冶金學在生產(chǎn)中的應用有了深入的理解。在課堂教學外，注重生產(chǎn)實習和實踐環(huán)節(jié)中物理冶金的教學。在鋼鐵企業(yè)的認識實習和生產(chǎn)實習期間，結合對中厚板、熱軋帶鋼和棒線材生產(chǎn)線的參觀，在介紹生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設備的基礎上，為學生重點講解軋制和冷卻過程中的組織、性能變化及微合金化元素的固溶和析出規(guī)律。使學生認識到軋制和冷卻中組織復雜的演變過程，其中加工硬化、回復、再結晶、相變和第二相粒子的析出過程交織在一起。在為大三學生開設的專業(yè)講座中，也注意把物理冶金學的知識貫穿其中：以瑞典SSAB公司為例，用英文幻燈片講述鋼鐵的生產(chǎn)流程；結合最新資料介紹國際和國內鋼鐵生產(chǎn)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢；運用物理冶金和化學冶金的綜合知識介紹管線鋼、汽車板等專用鋼種的產(chǎn)品開發(fā)實踐。在指導本科生的畢業(yè)設計時，依據(jù)自己的科研方向，確定產(chǎn)品開發(fā)、組織性能分析、強韌化機理等緊密聯(lián)系生產(chǎn)實際的題目，加深畢業(yè)生對物理冶金學的認識并掌握物理冶金的研究方法，注重培養(yǎng)他們綜合運用知識分析問題和解決問題的能力，為踏入工作崗位或繼續(xù)深造做好準備。