韓靜濤：了不起的匠人

文/郭曉心·中國鍛壓協會

韓靜濤：了不起的匠人

文/郭曉心·中國鍛壓協會

韓靜濤，北京科技大學（以下簡稱“北科大”）材料科學與工程學院（以下簡稱“材料學院”）教授、學科主任，兼任中國科學技術協會全國委員會委員、中國鍛壓協會首席專家、中國鋼鐵工業協會理事、中國金屬學會榮譽理事、中鋼構冷彎型鋼分會理事長、北京機械工程學會壓力加工分會主任等職，主要研究方向為金屬塑性成形介微觀理論、大型鍛件制造工藝、軋制原理與工藝、特殊鋼與合金成形技術、特種成形工藝、金屬層壓復合材料技術、冷彎型鋼技術裝備研究等廣泛領域，并卓有建樹，研究成果曾獲得國家科技進步二等獎等多項國家級、省部級獎項。

20世紀90年代初，韓靜濤教授在國際上最先發現了金屬材料成形過程中的裂紋自愈合現象，提出了金屬材料內裂紋自修復理論并應用于工程實際。經過二十余年腳踏實地研究工作，這一理論和技術理念逐漸被科學界所廣泛接受。他不畏艱難，勇于承接了國家“九五”技術改造重點項目“提速及高速列車車輪軋制工藝研究”這個燙手的山芋，實現了我國實心腹板提速與高速列車車輪的自主生產，為我國鐵路列車歷史性的“六次大提速”奠定了基礎。他創造性地提出了金屬塑性成形機理的“晶粒馬賽克化裂解與重組”的唯象性模型，并通過粒子加速器的轟擊觀測證實了該模型的存在，給金屬材料科學的發展帶來了巨大的沖擊，相關研究正在進行中。

韓靜濤教授

韓靜濤教授進入鍛壓行業并非興趣使然，而是慢慢從科學研究的事業中找到樂趣的，現在的他已經進入了根據研究興趣來制訂研究課題的階段。從被動參加科研工作到主動規劃與構建學科領域，這種轉變經歷了一個漫長的過程。近日，本刊記者帶著一顆敬畏之心，對韓靜濤教授進行了專訪。

匠心 求索未知領域

當被問及如何洞察行業發展需求、發現科研課題時，韓靜濤教授笑道，這需要科研人員在非常熟悉本專業的同時了解更廣闊領域的科學技術進展。譬如參加各類學術與社會活動，從參加工作開始，對于每場學術報告，不論是否和自己的研究工作相關，首先要尊重報告人的工作，虛心學習，堅持邊聽、邊記、邊思考，同時列出對自己和團隊成員可能有啟發的問題，與報告人交流，并在會后對每個報告寫小總結。這首先是逼迫自己全神貫注地聽每場報告，堅持下來，進步就很快，收獲也很大。他坦言，開會就是學習，知識面在無形中拓寬了。韓靜濤教授介紹，高校的材料學科分為材料科學和材料工程兩部分，其科學研究的任務就是探索未知、創造新的技術，是高校科研工作的重點。理論研究通常都是非常基礎的研究，很難出成果，需要相當的積累，需要試驗手段和方法的突破，研究成本很高。國家應加大力度支持對國民經濟發展有實際和重要作用的原創性研究，并給與足夠的容忍。高校的科學研究工作應該以基礎研究的突破和創新性技術研究為基礎，這才是高校科學研究的價值所在。

北科大材料學院的材料科學與工程學科是從鋼鐵材料研究沿襲而來，基礎非常雄厚，這是北科大的強項。韓靜濤教授坦言，國內各高校的材料學科都有其長板與短板，我國材料界的幾位泰斗級人物都出自于北科大，但該校材料加工專業的力學基礎則相對薄弱。

眾所周知，鋼是由鐵、碳兩種元素組成的擴散性相變合金。在鐵碳相圖中，鐵元素在經過727℃居里溫度點時會發生重要的相變，人們僅對鋼中的鐵元素在727℃以上組織演化的作用有了點相對粗淺的了解，但是還遠未認識其真實的內涵，對鐵元素在該溫度之下的演化規律則還基本上是一無所知。同時，人們對鋼中碳元素在727℃以下的物理作用機理還知之甚少。即使在人類現有的認知水平下，鋼在我們面前光怪陸離的表現都已經令人嘆為觀止了。所以，鋼鐵材料以其普遍性、可持續性，與人類和環境的適應性，仍然列為工程材料的首選，對其功能與特性的探索與開發尚有著無限的前途。隨著人們對其介微觀動靜態演化機理研究的深入，將會發現其更多的利用價值，無論是科學理論上還是在實際應用上。

層壓復合是復合材料領域應用最廣泛的技術，也是韓靜濤教授研究材料的重點開發方向之一。層壓復合材料的性能優劣主要體現在界面復合狀態與水平上，在多年研究工作的基礎上，韓靜濤教授提出了層壓復合材料的“ZUX”理論，“Z”型復合是指兩材料界面的化學成分呈斷崖式分布，界面結合基本上是機械貼合，僅有較微弱的界面結合力。這種復合材料在進行后續加工時，略施加外力就會引起復合界面的開裂。爆炸復合技術仍屬于這種復合等級。“U”型復合指兩材料的復合界面具有一層未知組織形態的過渡界面，其特征是以極細小尺寸的硬脆相為主，界面結合力仍比較弱。“X”型復合則達到了真正的金屬鍵梯度復合，有一相對較寬的化學成分梯度過渡區。10年前，韓靜濤教授開發了“離心復合澆注＋熱成形＋冷成形”復合的新技術，即先澆注第一層材料，在其完全凝固之前開始澆注第二層材料，以此類推，可以按照設計者的需要澆鑄多層復合材料。韓靜濤教授給我們展示的，是他們采用離心澆鑄技術制備的15層防彈材料，經多道次軋制的最終厚度僅為2.7mm。用于替代傳統的防彈鋼材料，可使傳統防彈鋼板的面密度降低40%以上，并通過材料設計來產生多次應激高頻振蕩，將擊中鋼板上的彈頭能量大部分消耗掉。如果應用在戰略坦克、兩棲裝甲車、運鈔車、船體等各類運載工具，以及特殊要求固定結構物上，可以大幅度降低材料自重，顯著提高材料利用率和經濟效益。

匠作 不斷超越自我

韓靜濤教授認為，目前的金屬學理論表現出諸多的先天不足。第一，關于晶粒尺寸大小的描述與測度方法顯然是不科學的，傳統金相方法所觀測到的晶粒橫切面僅切割到晶粒的某處球冠位置，不是晶粒的子午面位置。因此，在金相照片上所看到的晶粒都小于實際晶粒。第二，關于珠光體片層間距的描述，珠光體是由薄片狀鐵素體和滲碳體相間隔組成的珠光體組織，類似于一本書。對于同一珠光體晶粒，從不同角度橫切面切出的珠光體片層間距是不同的，最佳的橫截面應當與鐵素體片層垂直。但在金相照片上是難于獲得的，所以我們看到的珠光體片層間距都大于實際晶體的片層間距。第三，在高溫情況下，碳素鋼的金屬組織是奧氏體組織，由于我們無法對其進行有效的觀測，都是將其加熱到完全奧氏體溫度后通過水淬來觀測其組織，但此時我們看到的實際上是馬氏體組織，用馬氏體組織說明奧氏體組織的行為，顯然不夠科學。然而，可悲的是，我們仍然在用這些似是而非的研究手段進行我們的科學研究工作。

韓靜濤教授的科研生涯是從塑性加工有限元數值模擬理論與技術起步的。20世紀80年代初，國內有限元模擬研究剛剛起步，韓靜濤教授從剛塑性有限元的基礎方程推導開始做起，1984年完成了國內第一篇三維剛塑性有限元模擬研究的學位論文。目前，韓靜濤教授構建了從微觀尺度(原子級別）到介觀尺度(晶粒級別）再到宏觀尺度(人類同視覺尺度）的研究體系，并在此基礎上進入更為宏觀巨系統，可將一個鋼鐵廠耦合在一起，從鋼坯入爐，研究加熱過程中的組織變化，軋制過程中的材料變形及組織性能等。這個系統里任何一臺設備單一參數的微小變化，都會對整個系統造成干擾……。這個理念的研究是從原子級別的粒子動力學模擬到宏觀系統仿真，與國際同行一起，引領著國際塑性加工領域數值模擬研究的前沿。

金屬材料內裂紋自愈合理論與自修復技術，是韓靜濤教授在國際塑性加工領域最早提出的理念和技術方法。傳統的材料科學與固體力學理論都認為材料一旦出現了裂紋就是一個不可逆的物理過程。韓靜濤教授在工程實踐中發現了內裂紋自愈合的現象，提出了自修復的機理，并形成了大型鍛件內裂紋自修復技術，隨即應用于工程實踐。在韓靜濤教授的倡導和指導下，20世紀90年代中期始，國內外大鍛件生產廠家逐漸采用了這項技術。

目前，位錯理論仍然是金屬塑性成形理論的核心內容，但是工程實踐中的很多現象都無法用這一理論進行科學的解釋，尤其是熱成形過程。韓靜濤教授坦言，在外力作用下金屬晶粒究竟如何變化，這個問題至今仍是謎團。韓靜濤教授提出了金屬塑性成形機理的“晶粒馬賽克化裂解與重組”的唯象性模型，為了有效地觀測晶粒的變形與變位，韓靜濤教授選派留學生與澳大利亞原子能中心、美國阿貢實驗室和歐洲原子能中心合作，終于觀測到金屬晶體在外力作用下的變形與變位過程，取得了突破性的初步研究結果。基本確認：金屬成形的主要貢獻源自“金屬晶粒的馬賽克化裂解與重組過程”，而位錯貢獻僅占其中很小一部分。金屬在冷變形情況下仍然會有晶粒長大的行為。

韓靜濤繼續介紹到，金屬熱加工，如鍛造工藝的成功實施70%在于人的因素，30%依賴于設備。這與金屬冷加工不同，也是目前熱加工工程師資歷越老含金量越高的原因，有經驗的熱加工工程師與技師大都具有非常強的現場應變能力，對工件的鍛造溫度、鍛造變形量、鍛造速度等都能有精確的掌控。他嘆息道，國內熱加工崗位的技術人員永遠在變動，這與國外技術人員能在崗位上堅守幾十年的情況不同，是一件非常堪憂的事。

匠人 踐行產學研合作

材料加工工程專業是工科專業，離不開現場的實際操作與體會。由于種種原因，我們的教師逐漸脫離了工程實際，躲進了象牙塔。高等學校塑性加工領域的專業實驗室逐漸被淘汰，教師和學生缺乏設備載體和實操經驗，這成為當前高校人才培養和科學研究的短板。老一代教師中不少人很有現場實操的基礎，并且科研工作經歷豐富，韓靜濤教授和他所培養的學生都頗受企業歡迎。當時的特點是，企業技術人員現場經驗豐富，但由于接觸工藝和使用設備單一，容易犯經驗主義的錯誤，難于發現一些基本的工藝誤區。而經驗豐富的部分高校教師接觸的工藝方法、設備種類比較齊全，曾經遇到過的問題各式各樣，積累的解決方案也非常豐富，這些是一般企業技術人員所不具備的。企業和高校若能正視這些問題，通過優勢互補，必能推動產學研用良性發展。

軋鋼工藝是韓靜濤教授經驗最豐富、駕輕就熟的本行工作，下面的事例最能說明問題。五年前，酒鋼為了提高企業技術水平，與韓靜濤教授課題組開展了全面合作。韓靜濤教授根據該公司三條生產系統的技術裝備條件提出了一攬子解決方案，對碳鋼薄板生產系統開發汽車用鋼，對不銹鋼生產系統開發雙相不銹鋼，對線棒材生產系統進行無孔形軋制技術改造。一年內，三個項目全部完成，全面提升了該公司產品與技術水平。

實心腹板火車車輪軋制技術是課題組具有較大影響力的項目之一。20世紀90年代以前，因鐵路和車輪制造技術水平的限制，我國傳統火車車輪的腹板位置都有多個圓孔。這種車輪在火車時速超過120公里時，圓孔周圍便會產生裂紋，容易造成車輪開裂而引發嚴重事故。車輪成為嚴重制約我國火車提速的關鍵。當時，國家“九五”將其作為重點技術開發項目進行協同攻關，太原重機以廢鋼價格購買了加拿大一套廢棄多年的二手設備，因價格昂貴沒有購買相關技術資料，韓靜濤教授臨危受命參與攻關工作。與太重工程師們一道，共同完成水壓機鍛造工藝開發，負責車輪軋機改造與工藝開發的子項，提出了車輪軋制漸次成形法和差速軋制理論，為該生產線順利竣工與實心腹板車輪的批量化生產奠定了重要的理論和工藝基礎，開啟了中國鐵路列車六次大提速的征程。

目前，韓靜濤教授團隊正在研制下一代汽車發動機的核心部件－高壓油管。近年來，霧霾天氣愈演愈烈，已成為中國的頭號環境公害，其中柴油汽車發動機排放已成為重要的源頭之一。為提高柴油發動機燃油利用效率，減少污染排放，必須提高油管供油壓力，降低油管壓降。第一代高壓油管采用傳統冷拔方式生產，其內壁的皺褶與微裂紋使其耐壓能力僅為160MPa以下，且內壁毛糙，壓降很大，僅適用于歐I、歐II排放標準的柴油發動機。第二代高壓油管采用帶芯棒拉拔技術，使高壓油管的耐壓能力達到260MPa，改善了內壁毛糙程度，由日本臼井公司和德國曼內斯曼開發并形成全球壟斷，適用于全球的歐III－歐VI排放柴油機。韓靜濤教授的科研團隊采用內外壁同時快速鍛造方法，開發出可耐壓400MPa、內壁鏡面效果的第三代汽車柴油發動機油管，為開發歐VI以上排放標準的新一代汽車發動機夯實基礎。韓靜濤教授課題組研制開發的航天器彈射式空間展開系統彈射桿生產線、鋼材表面無酸除磷成套技術裝備、大型鋼橋安全建設急需的新型U肋、1500MPa級四尖角高性能汽車方矩管等，這些研究成果在國際上都是獨創并且非常有價值的，只有將這些難題突破了，才能破除國外發達國家的技術壁壘，從而引領世界工業革命。韓靜濤教授所率領的是一支真正的科技創新團隊。

最后，韓靜濤教授語重心長地說道，由于種種原因，逼迫著科研人員做研究過于浮躁，缺乏踏實工作的精神，往往急于將處在實驗室階段的初步研究改造變成生產力，這是最可怕的，也引發了很多的產學研項目糾紛。實際上，科研人員應該在“家”里踏踏實實地將研究成果反復“雕琢”，至少經中試甚至成品后，再去工業界尋找合適用戶，這時通常客戶是非常愿意接受合作的。