兩個“全過程”與材料

北京航空材料研究院研究員、中國工程院院士 趙振業

兩個“全過程”與材料

北京航空材料研究院研究員、中國工程院院士 趙振業

一、材料科學與工程

從石材、木材、鐵材到復合材料，材料發展走過了千萬年歷史，材料伴隨和推動人類文明進程。材料是一個活躍而無止境的領域，極大地推動現代科學發展。材料屬于應用科學范疇，其目標在于形成有價值的形式。先進材料屬于科學前沿，其實驗和理論都達到了很高的水平，先進材料具有“極限”性能特征，并成為制約多種科學領域技術進步的重要因素。

在上個世紀50～60年代形成的“材料科學與工程”是材料發展史上的一件大事，它填補了理論科學與工程技術間的鴻溝、彌合了理論科學與技術產業間的脫節，結束了材料發展的混沌狀態，遂后又發展了“四要素”，即成分（組成）與結構，合成與加工，性質，服役行為，如圖1所示。材料科學與工程推動了材料大發展。如今使用和發展的碳纖維增強復合材料、納米材料、超（負）材料等新型材料彰顯了“材料科學與工程”的無比創造力。材料研究的目的全在于應用。先進材料研究與發展都具有強烈的應用背景，明確的性能指標，適宜的使用模式，成為一個復雜的技術體系?！安牧峡茖W與工程”創造著無與倫比的經濟價值和社會價值。

二、兩個“全過程”

科學認識論認為，人類在認識客觀世界中，總是要經過實踐——認識——再實踐——再認識這一認識單元的反復，才能到達相對的真理。認識的目的在于改造客觀世界。“材料科學與工程”發展中，也要經過理論——材料——再理論——再材料認識單元的反復，才能獲得相對的真知，即先進材料。這一認識單元由應用基礎理論、應用技術、工程化生產、失效反饋等四個要素組成，稱謂“全過程”，如圖2所示。

其實，材料科學與工程“全過程”由兩個“全過程”組成，即“材料研制全過程”和“材料應用研究全過程”，如圖3所示。兩個“全過程”的形式完全相同，但四要素的內涵完全不同。

“應用基礎理論”是指直接導向技術創新的基礎理論，如圖4所示。應用基礎理論是材料技術及材料應用技術創新的向導，沒有應用基礎理論就不會有技術創新，誰掌握了應用基礎理論，誰就有可能創新先進材料。比如，在“材料研制全過程”中，創新高強度合金，首先必須先掌握相變強化機理、沉淀硬化機理；創新復合材料必須掌握相關的界面機理，而要創新高溫合金，必須掌握蠕變機理等。在“材料應用研究全過程”中，創新抗疲勞應用技術，必須掌握抗疲勞機理等等。

“應用技術”指的是研究的技術主體，即“材料研制全過程”中的“材料技術”，“材料應用研究全過程”中的“材料應用技術”，如圖5所示。它們的內涵是材料科學與工程的“四要素”，即成分、組成與結構，合成與制備加工，性質與服役行為。當然，材料技術與材料應用技術的“四要素”的名稱雖然相同，但內涵卻是完全不同的。比如，“材料研制全過程”中的“制備加工”要素指的是合金的熔煉、熱加工成材技術；在“材料應用研究全過程”中，“制備加工”要素指的是合金的噴丸、離子注入等表面強化技術。“材料研制全過程”要做出具體的材料，“材料應用研究全過程”則是作出把材料變成高性能構件的應用技術體系。

“工程化生產”指的是批量生產技術，如圖6所示。它有兩項指標，一是將實驗室研究的“應用技術”轉化為批量生產技術，一是形成有高附加值的形式。二者舍一不能達到研究目標。在“材料研制全過程”中，“工程化生產”指的是能生產出有高附加值的材料的批量生產技術；在“材料應用研究全過程”中，“工程化生產”指的是能生產出有高附加值構件批量生產技術。工程化生產是對“應用技術”的評價，不能生產出有高附加值材料或構件的批量生產技術是無用的，必須返回到“應用技術”階段再研究。實踐中確不少材料或材料應用技術“創新”，但一經工程化生產就不得不返回實驗室重新研究。也確有不少材料或材料應用技術用于生產，但在產品上留下一堆問題，甚至終身不得解決。正是這樣的教訓證明了建立兩個“全過程”新概念的重要性和必要性?！肮こ袒a”有其判定指標，包括性能穩定、批次一致、數據齊全、價格低廉等。不難看出，這是一些批量生產中才能獲取的結果。但現在一些工程技術中心設立在高校或研究機構內，那里沒有工程化生產實踐，何以創新工程化生產技術？

“失效反饋”是“工程化生產”的評價和“應用基礎理論”的驗證，如圖7所示。實踐是檢驗真理的唯一標準。如果形成的材料和材料應用技術做出的構件服役失效機理與賴以設計材料和材料應用技術的“應用基礎理論”相一致，表明材料科學與工程的“全過程”認識單元完成，獲得了相對的真知——可用可靠的材料。否則，只能修正“應用基礎理論”，重新走認識單元的“全過程”。“失效反饋”是一個極為重要的要素和環節，但在材料研究發展中尚未給予足夠的重視，甚之常被遺忘。在高等學校中很少設有失效專業和課程，學生學到的是不完整的知識。

在現實研究中，因未實施全過程研究而不能達到預期目標，半途而廢的材料不在少數。

兩個“全過程”是一個不可分割的整體。“材料研制全過程”賦予材料先天性能，即高強度材料、高溫材料、復合材料、高分子材料或功能材料、電子材料的固有性能，如同生男生女?！安牧蠎醚芯咳^程”賦予材料后天性能。最明顯的例證就是齒輪軸承鋼材料研制賦予其基本性能，但齒輪軸承用的不是材料本身，而是經表層硬化后的硬化層。所以，必須進行表層硬化這一材料應用技術研究，賦予其高硬度這一后天性能。否則，齒輪軸承鋼便不能用作齒輪或軸承。如同不論男生或女生，不培養教育好都不能成才。另一個例證是材料應用技術將超高強度鋼300M的疲勞強度提高了37%，將7475-T6高強度鋁合金的疲勞裂紋擴展速率改善了1500倍。但是人們曾經花了30多年時間把結構鋼從高強度鋼30CrMnSiA發展至30CrMnSiNi2A,再發展到超高強度鋼300M，整個體系的疲勞強度僅提高36%。試問為什么要花那么大的人力、物力和那么長的時間發展幾個材料牌號，而不畢其功于簡單的“材料應用研究”一役呢？從低強度合金2024到高強度合金7475，再到超高強度合金7055，再到損傷容限合金2524，幾十年過去了，而整個體系改善疲勞裂紋擴展速率的效果與1500倍相去甚遠。但國內外還在研究發展損傷容限高強度鋁合金。

從上述例證可以看到“材料應用研究”帶給材料多么高的后天性能，甚至是“材料研制”所不能實現的。從而不難得出結論，與“材料研制全過程”一樣，“材料應用研究全過程”是“材料科學與工程”不可或缺的一部分。兩個“全過程”共同構成“材料科學與工程”，如同鳥的兩翼，人的雙手一樣相輔相成，形成可用可靠材料。但是，在現實研究中，因未實施兩個“全過程”研究而不能適應服役環境，已制成構件用于裝備，不得不更換材料或造成極大損失的現象卻屢見不鮮。

材料先天性能加上后天性能才是構件的服役性能。“材料研制”與“材料應用研究”兩個“全過程”合二而一提高構件服役性能效果極為顯著。飛機起落架是一個疲勞性能要求很高的構件。上個世紀60～80年代，我國戰機起落架技術落后，壽命短、可靠性差。某起落架用超高強度鋼制造，設計壽命3000Fh，但25年中多次試驗，沒有一次達到設計指標。暫定200Fh壽命，服役中不穩定，最短不足80Fh便產生裂紋。經“材料研制”獲得300M鋼，具有超高強度、高韌性、高疲勞強度，但疲勞強度對應力集中敏感的先天性能，再經“材料應用研究”，創新10多種抗疲勞應用技術，獲得了高疲勞強度、疲勞強度應力集中敏感性被抑制的后天性能。用300M鋼和抗疲勞應用技術體系制造該起落架，疲勞壽命一舉達到3000Fh未失效，我國戰機起落架首次實現與飛機機體同壽命。繼續試驗達到5000Fh仍不失效，第一次達到美國F-15、F-16飛機同一300M鋼制起落架5000Fh世界最高規定壽命。增載30%后繼續試驗至6000Fh仍未失效。從1991年起落架裝機服役至今無一故障。10多種型號飛機起落架服役，至今無一故障。壽命與可靠性都達到國外先進水平。圖8表示，高強度鋁合金、鈦合金、超高強度和高溫合金鋼都具有疲勞強度應力集中敏感的先天性能弱點，采用抗疲勞應用技術抑制了這一敏感性，回復到了各自的固有疲勞強度，甚至更高的后天性能，如圖8所示。

兩個“全過程”是材料科學與工程中的一個基本規律。不僅適用超高強度鋼、鋁合金，也適應高溫合金、復合材料、高分子材料、功能材料和電子材料等。當前應當強調“材料應用研究全過程”，因為它還沒有被充分認識和實行，兩個“全過程”尚處于隔離或脫節狀態，而且有大量問題急待解決。

如前所述，先進材料研究發展都有一個確定的性能指標。如渦輪葉片用高溫合金，研究發展時規定有耐高溫、持久、蠕變、抗氧化等指標，“材料研制”會達到這些指標。渦輪葉片服役時，葉身上部溫度高達1000℃，合金上述性能確實可以保證服役安全。但是葉身下半部溫度可下降到750℃，該溫度下合金的失效機理不再是蠕變而是蠕變——疲勞；到了葉片榫頭部位，溫度可降至650℃以下，該溫度下合金的失效機理不再是蠕變——疲勞而是疲勞——蠕變或疲勞。如果不進行“材料應用研究”賦予其抗蠕變——疲勞、疲勞——蠕變和疲勞的后天性能，便不能保證葉片服役安全。事實上，渦輪葉片頻發故障就多來自疲勞——蠕變或疲勞。

碳纖維增強樹脂基復合材料是個混合體，準各向同性材料，要保障承受多向載荷的主承力構件長壽命和服役安全，不賦予后天性能是難以實現的。顆粒增強金屬基復合材料中，硬顆粒均勻分布于基體。到達構件表面的顆粒無疑是一個高應力集中區，并導致疲勞強度劇烈降低，用什么應用技術予以補強？陶瓷、碳——碳復合材料幾乎是脆性材料，但它們是未來發動機的葉片、葉——盤、葉——環材料，如不實現“材料應用研究全過程”，如何滿足服役要求？

功能材料、電子材料、高分子材料又靠什么應用技術保證由它們制成的元器件服役安全和長壽命？

三、實踐兩個“全過程”

如今，材料科學與工程發展到了一個新階段。不僅行成了包括理論科學、應用科學、工程科學體系，材料具有或已在追求其極限性能，而且制約廣大科學領域的發展。先進材料需要突破新的領域，履行其新責任。人類千萬年來向其賴以生存的地球無限制地索取，無異于毀壞自己的家園。材料科學與工程肩負著改索取為反哺，改污染為變廢為寶的歷史使命，面臨著認識新興科學前沿，開拓新的科學研究模式，以創新材料、實現可持續發展的挑戰。但是，當前兩個“全過程”分割，認識的偏跛與實踐的脫節，正在制約材料科學與工程的創新發展。這一狀況與“材料科學與工程”形成前材料科學與工程技術脫節的狀況十分相似。因此，迎接這一挑戰，最需要的是彌合當前兩個“全過程”的隔離與脫節，強調 “材料應用研究全過程”，建立材料科學與工程的兩個“全過程”概念，實踐兩個“全過程”?？梢灶A期，兩個“全過程”一定如同半個世紀前形成“材料科學與工程”一樣，把先進材料推進到新一輪的大發展。

趙振業 金屬材料學家，1937年生，北京航空材料研究院研究員，中國工程院院士,北京航空航天學會副理事長，中國航空學會材料工程分會名譽主任委員。

50年來一直從事航空超高強度鋼應用基礎理論、合金設計和應用科學技術研究。主持研制成功300M鋼，實現戰機起落架6000飛行小時不失效,達到并超過國外5000飛行小時最高規定壽命,廣泛應用20年來無一故障，獲國家科技進步一等獎。發明我國第一個航空中溫超高強度鋼38Cr2Mo2VA、第一個12%Cr型馬氏體熱強不銹鋼GX-8，率先將不銹鋼、不銹齒輪軸承鋼提升到超高強度、高韌性，為超高強度鋼體系和多項重大航空工程做出突出貢獻。

獲國家級科技成果獎5項,專著《合金鋼設計》。