材料科學(xué)與工程的新時(shí)代

趙振業(yè)

(北京航空材料研究院， 北京 100095)

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材料科學(xué)與工程的新時(shí)代

趙振業(yè)

(北京航空材料研究院， 北京 100095)

論述材料科學(xué)與工程“四要素”，它包含成分(組成)與結(jié)構(gòu)、合成與加工、性質(zhì)和服役行為。“四要素”的提出結(jié)束了材料發(fā)展的混沌狀態(tài)，彌合了理論和技術(shù)產(chǎn)業(yè)脫節(jié)，獲得極限固有性能的可靠材料，推動(dòng)了先進(jìn)材料大發(fā)展。提出材料科學(xué)與工程的“兩個(gè)全過(guò)程”概念，即材料研制全過(guò)程和材料應(yīng)用研究全過(guò)程，唯有做好兩個(gè)全過(guò)程工作，才能保證獲得具有極限固有性能和極限服役性能的可用可靠材料，促進(jìn)“材料科學(xué)與工程”進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。對(duì)材料科學(xué)與工程進(jìn)行“兩個(gè)全過(guò)程”研究，成就中國(guó)成為材料強(qiáng)國(guó)。

全過(guò)程；四要素；材料科學(xué)與工程

在萬(wàn)千年歷史發(fā)展中，材料是人類文明的見(jiàn)證者和推動(dòng)力，伴隨石材、木材、鐵材、復(fù)合材料發(fā)展，人類也從地球奔上了茫茫太空。如今，材料已從經(jīng)驗(yàn)性技術(shù)轉(zhuǎn)化為科學(xué)研究，實(shí)驗(yàn)和理論達(dá)到高水平并具有“極限”性能特征，屬于科學(xué)前沿；材料科學(xué)與工程已成為一個(gè)活躍而無(wú)止境的領(lǐng)域，極大地推動(dòng)現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)發(fā)展。但是，材料科學(xué)與工程屬于應(yīng)用科學(xué)范疇的屬性沒(méi)有改變，因而“研究材料的目的全在于應(yīng)用”一直是業(yè)界的座右銘。經(jīng)歷60多年、特別是改革開(kāi)放30多年發(fā)展 ，中國(guó)已經(jīng)成為一個(gè)材料大國(guó)，在許多領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先地位。如今，中華民族偉大復(fù)興之夢(mèng)正引領(lǐng)中國(guó)走向材料強(qiáng)國(guó)，舉國(guó)上下正在探索一條強(qiáng)國(guó)之道。毋容置疑，從中國(guó)的現(xiàn)實(shí)出發(fā)，遵從科學(xué)規(guī)律，研究好材料、用好材料是根本道路。航空材料是材料科學(xué)與工程的前沿領(lǐng)域，常是一個(gè)國(guó)家材料水平的標(biāo)志，比如飛機(jī)起落架用材代表一個(gè)國(guó)家材料水平，航空超高強(qiáng)度鋼性能體現(xiàn)冶金技術(shù)水平,應(yīng)當(dāng)成為領(lǐng)頭羊。一個(gè)材料強(qiáng)國(guó)的標(biāo)志應(yīng)包括對(duì)材料科學(xué)與工程的科學(xué)規(guī)律認(rèn)識(shí)和實(shí)踐，引領(lǐng)材料創(chuàng)新和應(yīng)用，豐富材料科學(xué)與工程內(nèi)涵，推動(dòng)材料科學(xué)進(jìn)步與發(fā)展。

1　材料科學(xué)與工程“四要素”

1.1材料科學(xué)與工程

在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)日里，先進(jìn)材料研究發(fā)展缺少科學(xué)理念和章法，突出地表現(xiàn)為材料科學(xué)研究與工程技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的脫節(jié)，甚至材料科學(xué)研究與材料工程技術(shù)界相互對(duì)抗，嚴(yán)重制約先進(jìn)材料的創(chuàng)新與發(fā)展。20世紀(jì)50年代到70年代在美國(guó)形成了“材料科學(xué)與工程”并迅速成為一級(jí)學(xué)科遍及全世界。“材料科學(xué)與工程”的形成是材料發(fā)展史上的一件大事，它結(jié)束了材料發(fā)展中的渾沌狀態(tài)，彌合了理論科學(xué)和技術(shù)產(chǎn)業(yè)脫節(jié)，填平了理論科學(xué)與工程技術(shù)間的鴻溝。隨后，從20世紀(jì)60年代中到80年代又賦予材料科學(xué)與工程“四要素”內(nèi)涵，從而進(jìn)入了 “材料科學(xué)與工程”時(shí)代。

1.2材料科學(xué)與工程“四要素”

圖1　材料科學(xué)與工程“四要素”Fig.1　Four essential factors of materials science and engineering

什么是“四要素”？“四要素”可用圖1表示：成分(組成)與結(jié)構(gòu)、合成與加工、性質(zhì)、服役行為四個(gè)頂點(diǎn)代表四個(gè)要素；等邊四面體表示四個(gè)要素同等重要，沒(méi)有那個(gè)要素比其他要素更重要，寓意 “四要素”是研究準(zhǔn)則，按“四要素”可研究好材料。

1.3材料科學(xué)與工程“四要素”內(nèi)涵

(1)“成分(組成)與結(jié)構(gòu)” 要素的基本內(nèi)涵

“成分(組成)與結(jié)構(gòu)” 要素的基本內(nèi)涵可概括為：從電子、原子到宏觀尺度裁剪材料；結(jié)構(gòu)無(wú)限變化演繹材料復(fù)雜性能；成分與結(jié)構(gòu)表征分析與建模技術(shù)等。

所謂“成分(組成)”指的是材料成分(組成)設(shè)計(jì)。當(dāng)然，不同類型材料的設(shè)計(jì)不同。例如，體心立方鐵中添加碳原子成為碳鋼，再添加合金元素又成為合金鋼。所謂“結(jié)構(gòu)”指的是材料的組織結(jié)構(gòu)類型，為獲得不同性質(zhì)需要設(shè)計(jì)不同組織結(jié)構(gòu)。例如，低強(qiáng)度鋼的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為珠光體，高強(qiáng)度鋼設(shè)計(jì)為貝氏體，超高強(qiáng)度鋼必須設(shè)計(jì)為馬氏體。對(duì)于高性能合金還要依據(jù)強(qiáng)-韌化機(jī)理做復(fù)合設(shè)計(jì)，如高溫合金的固溶-時(shí)效、彌散強(qiáng)化、質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化等成分和結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料要做不同尺寸、不同纖維的組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

(2)“合成與加工”要素的基本內(nèi)涵

“合成與加工”要素的基本內(nèi)涵可概括為：所有尺度上原子 、分子及分子團(tuán)對(duì)結(jié)構(gòu)的控制；新結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為材料與構(gòu)件的演化過(guò)程；宏觀操作引發(fā)的微觀結(jié)構(gòu)變化與“意外”現(xiàn)象等。

所謂“合成與加工”指的是材料的制備，如金屬材料的熔煉與開(kāi)坯成材。不同類型材料的制備方法也不同，可謂仁者見(jiàn)仁、智者見(jiàn)智。熔煉幾乎是材料純凈化進(jìn)而提高塑性的唯一手段。例如鋼中雜質(zhì)硫含量為(1.2～2)×10-5時(shí)的斷面收縮率為5%～20%，硫含量降為(4～8)×10-6時(shí)斷面收縮率最高可達(dá)60%，因而發(fā)展了各種各樣的高純凈、超純凈熔煉方法。開(kāi)坯成材技術(shù)確實(shí)可能收到意想不到的效果，超高強(qiáng)度鋼的發(fā)展就得益于控軋技術(shù)。眾所周知，普通鋼開(kāi)坯成材工藝是加熱到奧氏體再結(jié)晶溫度以上控軋、冷卻；微合金化后加熱到奧氏體再結(jié)晶溫度以上控軋、冷卻得到一種微合金鋼；加熱到奧氏體-鐵素體相變溫度控軋、冷卻又得到一種超級(jí)鋼；加熱到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶溫度以下控軋、冷卻可得到一種TRIP超高強(qiáng)度鋼；在奧氏體再結(jié)晶溫度以上控軋-動(dòng)態(tài)再結(jié)晶溫度以下控軋-室溫下冷軋-零下溫度處理-回火等復(fù)合工藝(STMT)鋼的抗拉強(qiáng)度高達(dá)4295 MPa。

值得指出的是“合成與加工”要素是“四要素”研究的突出成果之一，此前在美國(guó)的材料研究中不重視“合成與加工”，制約了先進(jìn)材料的研究進(jìn)程和性能水平。如今中國(guó)的材料研究中何嘗不是在重復(fù)美國(guó)的教訓(xùn)，甚至低性能、低純凈度材料正在摧毀機(jī)械制造，前車之鑒！

(3)“性質(zhì)”要素的基本內(nèi)涵

“性質(zhì)”要素的基本內(nèi)涵可概括為：材料對(duì)外界刺激的整體響應(yīng)；各種尺度上的性能測(cè)試與分析；導(dǎo)向所需綜合性能的合金設(shè)計(jì)；材料表征等。

所謂“性質(zhì)”指的是材料的固有性能，如材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基本性能以及材料的全面性能、工藝性能等。基本性能僅代表達(dá)到的最高性能，全面性能、工藝性能等則用以評(píng)價(jià)基本性能的可用性。

(4)“服役行為”要素的基本內(nèi)涵

“服役行為”要素的基本內(nèi)涵可概括為：材料固有性質(zhì)與構(gòu)件功能、能力相結(jié)合；環(huán)境中固有性能變化與預(yù)測(cè)；使用中材料固有性質(zhì)變化、預(yù)測(cè)與改善；與構(gòu)件基本性質(zhì)的關(guān)聯(lián)模型等。

所謂“服役行為”指的是材料在可能的服役環(huán)境中所需要的性能，除了基本性能、全面性能、工藝性能等固有性能外，還有諸如應(yīng)力腐蝕性能、疲勞性能、時(shí)效性能、復(fù)合環(huán)境性能等。

值得指出的是“服役行為”要素是“四要素”研究的另一個(gè)突出成果，此前在美國(guó)的材料研究中忽視“服役行為”，制約了先進(jìn)材料的研究發(fā)展。如今中國(guó)的材料研究中也仍在重復(fù)美國(guó)的教訓(xùn)，甚至僅做了材料基本性能就以為研究成功，推到構(gòu)件使用，成為機(jī)械裝備故障頻發(fā)甚至終生不得解決的原因之一。

1.4關(guān)于基因設(shè)計(jì)(genome design)

本世紀(jì)初美國(guó)西北大學(xué)采用基因設(shè)計(jì)研制了一個(gè)超高強(qiáng)度不銹鋼S53，其力學(xué)性能與低合金超高強(qiáng)度鋼300M相當(dāng)，引起了轟動(dòng)，奧巴馬總統(tǒng)還在2011年國(guó)家科學(xué)技術(shù)咨詢委員會(huì)講話予以稱贊和推薦，中國(guó)也爭(zhēng)相效仿。所謂“基因設(shè)計(jì)”是一種將“四要素”融合的材料研究方法，與數(shù)據(jù)庫(kù)、信息技術(shù)結(jié)合后減少了實(shí)驗(yàn)，加速了研究進(jìn)程，但并沒(méi)有改變材料科學(xué)與工程“四要素”及其內(nèi)涵。

美國(guó)和發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用“四要素”理念與方法研究材料，創(chuàng)制了一些高性能材料。例如，久負(fù)盛名的低合金超高強(qiáng)度鋼300M的綜合力學(xué)性能優(yōu)良：抗拉強(qiáng)度σb～1960 MPa、屈服強(qiáng)度σ0.2～1625 MPa、伸長(zhǎng)率δ5～10%，斷面收縮率ψ～40% 、斷裂韌度KIC～80 MPa·m1/2、拉-拉疲勞強(qiáng)度σF～1035 MPa，廣泛用做各種飛機(jī)起落架。20世紀(jì)90年代研制的高合金超高強(qiáng)度鋼Aermet100的綜合力學(xué)性能進(jìn)一步提高：抗拉強(qiáng)度σb～2000 MPa、屈服強(qiáng)度σ0.2～1700 MPa、伸長(zhǎng)率δ5～15 %，斷面收縮率ψ～60%、斷裂韌度KⅠc～120 MPa·m1/2、拉-拉疲勞強(qiáng)度σF～1200 MPa，已用作F-22等飛機(jī)起落架。當(dāng)然還有S53超高強(qiáng)度不銹鋼和其他超高強(qiáng)度合金、高溫合金等，恕不枚舉。

“材料科學(xué)與工程”作為一種嶄新的理念，“四要素”作為行為準(zhǔn)則，不僅推動(dòng)美國(guó)先進(jìn)材料快速發(fā)展并成為領(lǐng)頭羊，而且不斷釋放潛能助力先進(jìn)材料登峰造極。前些年還有人以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、半導(dǎo)體加工、鋰離子電池材料、掃描探針顯微鏡、碳納米管、軟刻蝕、巨磁變效應(yīng)、半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管、超 (負(fù))材料、納米技術(shù)等表彰材料科學(xué)與工程新時(shí)代的豐功偉績(jī)。

但是，固有性能優(yōu)良并不等于服役性能優(yōu)良。例如，超高強(qiáng)度鋼300M固有疲勞強(qiáng)度σF高達(dá)1035 MPa，當(dāng)制件表面壓一個(gè)硬度壓痕造成應(yīng)力集中后疲勞強(qiáng)度驟降至245 MPa，在海水介質(zhì)中僅為105 MPa。同樣，超高強(qiáng)度鋼Aermet100固有疲勞強(qiáng)度σF高達(dá) 1200 MPa，當(dāng)應(yīng)力集中Kt=4時(shí)疲勞強(qiáng)度驟降至169 MPa。其實(shí)，不僅是超高強(qiáng)度鋼300M、Aermet100，其他超高強(qiáng)度鋼、齒輪軸承鋼以及高強(qiáng)度鋁合金、鈦合金、高溫合金等同樣如此，Kt=3時(shí)疲勞強(qiáng)度降低約50%，Kt=5時(shí)降低約80%。再如，渦輪盤服役時(shí)盤心、腹板和榫齒溫度依次增高，應(yīng)力集中水平也大不相同。高溫合金GH4169DA的最高使用溫度為650 ℃，室溫固有疲勞強(qiáng)度σF=540 MPa，但Kt=4時(shí)疲勞強(qiáng)度同樣驟降至202 MPa；盤心、腹板受控于疲勞機(jī)理，而榫齒受控于疲勞-蠕變機(jī)理。渦輪葉片合金更為復(fù)雜，從葉尖到榫頭服役溫度變化很大，承受蠕變-熱疲勞、蠕變-熱機(jī)械疲勞、熱機(jī)械疲勞-蠕變、機(jī)械疲勞等多種失效機(jī)理，疲勞強(qiáng)度降低程度各不相同。可見(jiàn)，僅有優(yōu)良的固有性能還可能是一個(gè)不能使用材料。

大量失效案例證明，關(guān)鍵構(gòu)件提前疲勞失效很少是設(shè)計(jì)工作應(yīng)力過(guò)高造成的，80%以上源自應(yīng)力集中。例如，傳動(dòng)齒輪斷齒為疲勞失效，疲勞源為切削加工刀痕不連續(xù)，即高應(yīng)力集中；渦輪盤隼齒裂紋為疲勞失效，疲勞源為切削加工刀痕不連續(xù)，即高應(yīng)力集中；壓氣機(jī)輪盤止口裂紋為疲勞失效，疲勞源為切削加工刀痕不連續(xù)，即高應(yīng)力集中，凡此種種。僅疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感問(wèn)題即可導(dǎo)致材料不能使用，如不解決將潛在災(zāi)難性后果，更談不上用得好。

2　材料科學(xué)與工程“兩個(gè)全過(guò)程”

2.1材料科學(xué)與工程“全過(guò)程”概念

科學(xué)認(rèn)識(shí)論指出，人類認(rèn)識(shí)客觀世界需要經(jīng)歷認(rèn)識(shí)-實(shí)踐、再認(rèn)識(shí)-再實(shí)踐的反復(fù)循環(huán)才能獲得相對(duì)的真理。 “材料科學(xué)與工程”也是一個(gè)人類認(rèn)識(shí)客觀世界的過(guò)程，需要經(jīng)歷理論-技術(shù)、再理論-再技術(shù)的反復(fù)循環(huán)才能獲得相對(duì)的真知。理論-技術(shù)循環(huán)單元可以分解為應(yīng)用基礎(chǔ)理論、材料技術(shù)、工程化生產(chǎn)和失效反饋四個(gè)要素，并組成一個(gè)“全過(guò)程”。這一“全過(guò)程”反復(fù)直到“應(yīng)用基礎(chǔ)理論”與“失效反饋”一致則結(jié)束。材料之所以可靠是因?yàn)檫@一“全過(guò)程”實(shí)踐了“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，如“材料技術(shù)”是“應(yīng)用基礎(chǔ)理論”的實(shí)踐和檢驗(yàn)，“工程化生產(chǎn)”是“材料技術(shù)”的實(shí)踐和檢驗(yàn)，“失效反饋”是“工程化生產(chǎn)”和“應(yīng)用基礎(chǔ)理論”的實(shí)踐和檢驗(yàn)等。

2.2材料科學(xué)與工程“兩個(gè)全過(guò)程”

如前所述，材料科學(xué)與工程屬于應(yīng)用科學(xué)范疇，研究的目的全在于應(yīng)用，所以，材料科學(xué)與工程有“兩個(gè)全過(guò)程”，如圖2所示。所謂“兩個(gè)全過(guò)程”就是“材料研制全過(guò)程”和“材料應(yīng)用研究全過(guò)程”。“材料研制全過(guò)程”的四要素為應(yīng)用基礎(chǔ)理論、材料技術(shù)、工程化生產(chǎn)和失效反饋; “材料應(yīng)用研究全過(guò)程” 的四要素為應(yīng)用基礎(chǔ)理論、材料應(yīng)用技術(shù)、工程化生產(chǎn)和失效反饋。“兩個(gè)全過(guò)程” 的四要素名稱雷同，內(nèi)涵卻大不相同。

圖2　材料科學(xué)與工程“兩個(gè)全過(guò)程”Fig.2　“Two whole processes” of materials science and engineering

2.3材料科學(xué)與工程“兩個(gè)全過(guò)程”內(nèi)涵

(1)“應(yīng)用基礎(chǔ)理論”的基本內(nèi)涵

“應(yīng)用基礎(chǔ)理論”指的是直接導(dǎo)向技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)理論，或稱之為“機(jī)理”，以區(qū)別于那些普遍適用的基礎(chǔ)理論。“材料研制全過(guò)程”中不同材料的“應(yīng)用基礎(chǔ)理論”各不相同。例如，超高強(qiáng)度鋼應(yīng)用基礎(chǔ)理論應(yīng)為相變等強(qiáng)韌化機(jī)理，高溫合金應(yīng)是抗蠕變機(jī)理，復(fù)合材料則為界面機(jī)理等；“材料應(yīng)用研究全過(guò)程”中超高強(qiáng)度鋼的“應(yīng)用基礎(chǔ)理論”變?yōu)榭蛊跈C(jī)理，高溫合金應(yīng)是抗蠕變-疲勞機(jī)理，復(fù)合材料則為抗老化機(jī)理等。簡(jiǎn)而言之，凡是能導(dǎo)向材料固有性能提高的理論屬于“材料研制全過(guò)程”，能導(dǎo)向服役性能提高的則屬于“材料應(yīng)用研究全過(guò)程”。

(2)“材料技術(shù)”的基本內(nèi)涵

所謂“材料技術(shù)”指的是研究的主體，在“材料研制全過(guò)程” 中為材料研制技術(shù)，“材料應(yīng)用研究全過(guò)程” 中為材料應(yīng)用技術(shù)。“材料技術(shù)”的內(nèi)涵雖均為“四要素”：成分(組成)與結(jié)構(gòu)、合成與加工、性質(zhì)、服役行為，但材料研制技術(shù)和材料應(yīng)用研究技術(shù)四個(gè)要素的內(nèi)涵并不相同。例如，超高強(qiáng)度鋼 “材料研制全過(guò)程”的“合成與加工”內(nèi)涵為熔煉與開(kāi)坯，而“材料應(yīng)用研究全過(guò)程”內(nèi)涵為表層改性等。

(3)“工程化生產(chǎn)”的基本內(nèi)涵

“工程化生產(chǎn)”是賦予材料有價(jià)值的形式，不能達(dá)到此目的還可證明“材料技術(shù)”是不可靠技術(shù)，應(yīng)予舍棄。所謂“有價(jià)值的形式”中至少應(yīng)包括性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠、批次一致、數(shù)據(jù)齊全、價(jià)格低廉等。雖然兩個(gè)全過(guò)程中的內(nèi)涵相同，但實(shí)現(xiàn)的方式完全不同。例如超高強(qiáng)度鋼，“材料研制全過(guò)程”的“工程化生產(chǎn)”在鋼廠完成，而 “材料應(yīng)用研究全過(guò)程”卻在機(jī)械制造廠實(shí)現(xiàn)。顯然，“工程化生產(chǎn)”是企業(yè)行為，只能在企業(yè)才可能達(dá)到目的。但是，一些部門常在科研院所、甚至高校建立所謂“工程中心”，不能收到效果。

(4)“失效反饋”的基本內(nèi)涵

“失效反饋”指的是服役失效機(jī)理，是“工程化生產(chǎn)”和“應(yīng)用基礎(chǔ)理論”的判據(jù)。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，工程化生產(chǎn)的材料服役失效機(jī)理與研究所用的應(yīng)用基礎(chǔ)理論相一致方表明得到的材料是“真知”，研究“全過(guò)程”結(jié)束。相反地，工程化生產(chǎn)的材料服役失效機(jī)理與研究所用的應(yīng)用基礎(chǔ)理論不相一致，表明尚未得到 “真知”，研究“全過(guò)程”還應(yīng)繼續(xù)循環(huán)，直至得到可用可靠的材料。應(yīng)當(dāng)注意，要得到“真知”必須走到“失效”，盡管時(shí)間周期可能延續(xù)很長(zhǎng)。

2.4兩個(gè)“全過(guò)程”的關(guān)系

“材料研制全過(guò)程”和 “材料應(yīng)用研究全過(guò)程”是密不可分的孿生體。“材料研制全過(guò)程”賦予材料先天性能或固有性能 ，“材料應(yīng)用研究全過(guò)程”賦予材料后天性能或服役性能，兩者共同賦予材料極限性能：極限固有性能兼極限服役性能。例如前面歷數(shù)了超高強(qiáng)度鋼300M的極限固有性能，但因疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感是一個(gè)不能使用的材料；經(jīng)應(yīng)用研究后制件的固有疲勞強(qiáng)度σF達(dá)到 1200 MPa，帶有表面硬度壓痕的疲勞強(qiáng)度恢復(fù)到1000 MPa，在海水介質(zhì)中的疲勞強(qiáng)度恢復(fù)到1000 MPa等，疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感消失，變成一個(gè)極限服役性能材料。這一效果不僅限于疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感，應(yīng)力腐蝕敏感同樣如此。例如，應(yīng)用研究前300M鋼應(yīng)力腐蝕應(yīng)力集中敏感顯著：在3.5%NaCl水溶液中，應(yīng)力1050 MPa 、1120 MPa和 1260 MPa下的失效時(shí)間分別為260 h、166 h和 12 h，應(yīng)用研究后各應(yīng)力下均達(dá)到1500 h未失效，應(yīng)力腐蝕敏感性消失，變成一個(gè)極限服役性能材料。這一效果不僅限于超高強(qiáng)度鋼，高溫合金同樣如此。例如，前面列舉了渦輪盤高溫合金GH4169DA的極限固有性能，但疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感顯著：Kt=1時(shí)室溫σf= 540 MPa，Kt=4時(shí)降為202 MPa，650 ℃下降為261 MPa，是一個(gè)不能使用的材料；應(yīng)用研究后，Kt=4時(shí)的室溫σNf=679 MPa，650 ℃的σNf=558 MPa，恢復(fù)到了固有疲勞強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感消失，疲勞壽命提高100倍以上，變成一個(gè)極限服役性能的材料。其實(shí)，這一效果普適于超高強(qiáng)度鋼，高強(qiáng)度鋁合金、鈦合金、高溫合金等，形成了一個(gè)普適的規(guī)律。這一規(guī)律在服役中得到了驗(yàn)證。例如，某飛機(jī)起落架用超高強(qiáng)度鋼制造，因未做應(yīng)用研究，疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力腐蝕應(yīng)力集中敏感顯著，以致在25年間的多次試驗(yàn)均未達(dá)到3000 fh設(shè)計(jì)壽命要求，服役壽命僅在百飛行小時(shí)；用經(jīng)應(yīng)用研究的300M鋼制造，疲勞壽命一舉達(dá)到5000 fh未失效，增載30%再試驗(yàn)至6000 fh仍未失效，達(dá)到并超過(guò)了設(shè)計(jì)壽命和國(guó)外同類起落架5000 fh的最高規(guī)定壽命。

2.5材料科學(xué)與工程“兩個(gè)全過(guò)程”新時(shí)代

如前所述，材料科學(xué)與工程及其“四要素”一改材料的渾沌狀態(tài)進(jìn)入了一個(gè)創(chuàng)新發(fā)展的時(shí)代。這一時(shí)代的標(biāo)志是材料科學(xué)與工程融合一體和“四要素”研究獲得可靠材料。盡管“四要素”中包含了“服役行為”，研究發(fā)展的先進(jìn)材料卻不具備需要的服役性能。即使 “基因設(shè)計(jì)”的典型代表新型超高強(qiáng)度不銹鋼S53仍然是一個(gè)疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感而不能使用的材料。所以，材料科學(xué)與工程“兩個(gè)全過(guò)程” 引領(lǐng)材料進(jìn)入了一個(gè)創(chuàng)新發(fā)展的新時(shí)代。這一時(shí)代的標(biāo)志是材料科學(xué)與工程 “兩個(gè)全過(guò)程”研究獲得極限固有性能和極限服役性能的可用可靠材料，從而奠定了“研究材料的目的全在于應(yīng)用”，成為新理念、研究準(zhǔn)則和里程碑。

3　升級(jí)轉(zhuǎn)型材料強(qiáng)國(guó)

3.1材料強(qiáng)國(guó)的主要標(biāo)志

經(jīng)歷幾十年發(fā)展，中國(guó)已成為一個(gè)材料大國(guó)，不少材料品種和規(guī)模處于世界領(lǐng)先地位，亟待升級(jí)轉(zhuǎn)型材料強(qiáng)國(guó)。所謂材料強(qiáng)國(guó)應(yīng)達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，呈現(xiàn)鮮明的標(biāo)志。比如：(1)“兩個(gè)全過(guò)程”研究和極限固有性能與極限服役性能材料；(2)保障關(guān)鍵構(gòu)件、元器件需求的材料體系；(3)領(lǐng)先的材料規(guī)模產(chǎn)業(yè)、品牌和市場(chǎng)；(4)有成效的關(guān)鍵構(gòu)件、元器件應(yīng)用；(5)領(lǐng)先的基礎(chǔ)理論、方法研究、自主創(chuàng)新能力與可持續(xù)發(fā)展等。

3.2升級(jí)轉(zhuǎn)型面臨的挑戰(zhàn)

升級(jí)轉(zhuǎn)型的緊迫需求給中國(guó)材料大國(guó)帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，當(dāng)前最大挑戰(zhàn)應(yīng)是基礎(chǔ)薄弱，缺少核心競(jìng)爭(zhēng)力。核心競(jìng)爭(zhēng)力是由先進(jìn)技術(shù)和規(guī)模產(chǎn)業(yè)構(gòu)成的。基礎(chǔ)薄弱突出地表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面是技術(shù)落后，體現(xiàn)為技術(shù)缺少創(chuàng)新和驗(yàn)證、不成體系、難以轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。缺少科學(xué)的管理理念、打點(diǎn)式方法和“成分(組成)與結(jié)構(gòu)”和“性質(zhì)”兩要素研究，盡管設(shè)立的項(xiàng)目不算少，消耗的人力、物力和時(shí)間不算少，甚至有所創(chuàng)新，但缺少驗(yàn)證、不成體系，其真?zhèn)坞y辨。科學(xué)技術(shù)體系才是生產(chǎn)力，不成體系的技術(shù)不能轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，更不消說(shuō)形成可用可靠的材料。另一方面是產(chǎn)業(yè)落后，體現(xiàn)在缺少創(chuàng)新與核心技術(shù)、不成規(guī)模、難以承載“技術(shù)創(chuàng)新的主體”。研究機(jī)構(gòu)向企業(yè)傳遞先進(jìn)技術(shù)乏力，企業(yè)無(wú)法履行“技術(shù)規(guī)模化”和“利潤(rùn)最大化”創(chuàng)新，總體處于中低端水平和競(jìng)爭(zhēng)弱勢(shì)。規(guī)模是競(jìng)爭(zhēng)力，不成規(guī)模產(chǎn)業(yè)不能成為強(qiáng)國(guó)。升級(jí)轉(zhuǎn)型亟待快速形成“四要素”技術(shù)體系鏈，實(shí)行“兩個(gè)全過(guò)程”研究，建立技術(shù)傳遞機(jī)制和規(guī)模產(chǎn)業(yè)，鑄造核心競(jìng)爭(zhēng)力。

3.3材料體系是材料強(qiáng)國(guó)的要害

所謂材料體系是牌號(hào)體系及其技術(shù)體系的總體。其中，牌號(hào)體系是同類材料按其特征性能指標(biāo)排成的序列，如結(jié)構(gòu)材料、功能材料、電子材料、復(fù)合材料牌號(hào)體系等，又有航空超高強(qiáng)度鋼Aermet100，300M，38Cr2Mo2VA，30CrMnSiNi2A體系等；技術(shù)體系則是為牌號(hào)提供技術(shù)支持、性能和服役可靠保證的技術(shù)集成，如標(biāo)準(zhǔn)體系、材料技術(shù)體系、材料應(yīng)用技術(shù)體系、材料工程化生產(chǎn)體系等，還有每個(gè)牌號(hào)的成分(組成)與結(jié)構(gòu)、合成與加工、性能、服役行為體系等。牌號(hào)體系與其技術(shù)體系兩者復(fù)雜程度的比較如圖3所示，圖中寶塔示意材料牌號(hào)，山體代表技術(shù)體系，相差之大難以用數(shù)字形容。有資料統(tǒng)計(jì)，中國(guó)在用材料牌號(hào)有10000多個(gè)，航空材料2500多個(gè)，試想它們的技術(shù)體系規(guī)模該有多么龐大；其中大量牌號(hào)隨著引進(jìn)仿制國(guó)外機(jī)械產(chǎn)品而來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)、工藝、習(xí)慣差別甚大，該如何應(yīng)付；為了部門、單位、個(gè)體利益，幾乎年年在立項(xiàng)研究、引進(jìn)、仿制同一檔次的新牌號(hào)，該怎么辦，凡此等等。一言以蔽之，八國(guó)聯(lián)軍萬(wàn)個(gè)牌號(hào)窒息了中國(guó)的材料，毀壞了中國(guó)的機(jī)械制造。所以，升級(jí)轉(zhuǎn)型材料強(qiáng)國(guó)的要害是構(gòu)建材料體系以整肅現(xiàn)狀、規(guī)范應(yīng)用、規(guī)劃發(fā)展。

圖3　材料牌號(hào)與其技術(shù)體系比較示意圖Fig.3　Sketch map of material system

3.4材料純凈化是材料強(qiáng)國(guó)的核心

先進(jìn)材料的主要應(yīng)用對(duì)象是關(guān)鍵構(gòu)件，關(guān)鍵構(gòu)件的發(fā)展目標(biāo)是長(zhǎng)壽命、高可靠，主要失效模式是疲勞。研究和服役反饋?zhàn)C明，材料的純凈度為關(guān)鍵構(gòu)件長(zhǎng)壽命、高可靠設(shè)置了不可逾越的門檻。或者說(shuō)，材料的純凈度達(dá)到什么水平，關(guān)鍵構(gòu)件壽命和可靠性也會(huì)達(dá)到相應(yīng)的級(jí)別。所謂純凈度主要指的是夾雜物，它們與材料非為一體，之間的不連續(xù)造成很高的應(yīng)力集中，成為疲勞裂紋萌生的場(chǎng)地和提前失效的原因。例如，關(guān)鍵構(gòu)件疲勞失效的模式是表面多源，這些疲勞源要么是加工缺陷，要么是夾雜物；經(jīng)表面強(qiáng)化后疲勞裂紋萌生的場(chǎng)地到達(dá)亞表面，夾雜物幾乎成為唯一的疲勞源和提前失效的原因。高溫關(guān)鍵構(gòu)件的主要失效模式還有蠕變，其規(guī)律十分雷同。美國(guó)飛機(jī)起落架用超高強(qiáng)度鋼從300M發(fā)展到Aermet100，提高了塑性和斷裂韌度，相伴的不僅有雜質(zhì)元素硫、磷進(jìn)一步降低，附加了氧、氮控制，而且降低了非金屬夾雜物含量等級(jí)；粉末渦輪盤高溫合金采用各種方法減少非金屬夾雜物含量，軸承齒輪鋼將氧含量控制在6×10-5以下的目的也在于減少Al2O3夾雜物等。據(jù)資料報(bào)道，軸承鋼中氧含量從1×10-5降至 6×10-6后，疲勞壽命提高了10倍。先進(jìn)材料的發(fā)展史也是一部純凈度進(jìn)步史。中國(guó)關(guān)鍵構(gòu)件壽命短、可靠性差、與國(guó)外先進(jìn)水平差距大的主要根源之一是材料純凈度。所以，不聚焦提高純凈度、發(fā)展先進(jìn)熔煉技術(shù)、就沒(méi)有可能進(jìn)入國(guó)際材料先進(jìn)行列。

3.5創(chuàng)新中國(guó)特色材料產(chǎn)業(yè)

中國(guó)先進(jìn)材料與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全需求差距大，與國(guó)外先進(jìn)水平差距大，與強(qiáng)國(guó)目標(biāo)差距更大。快速改變落后形勢(shì)、走上強(qiáng)國(guó)之道不是模仿外國(guó)，而是創(chuàng)新中國(guó)特色材料產(chǎn)業(yè)和業(yè)態(tài)。創(chuàng)新的基礎(chǔ)和前提是遵循產(chǎn)業(yè)技術(shù)鏈與傳遞機(jī)制，建立高校-科研院所-企業(yè)，即基礎(chǔ)理論、方法-技術(shù)創(chuàng)新研究-專業(yè)化、規(guī)模化企業(yè)三強(qiáng)一體的研究、創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)，形成適應(yīng)科學(xué)發(fā)展規(guī)律、形成技術(shù)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)、革除技術(shù)轉(zhuǎn)化壁壘、技術(shù)傳遞流程暢通業(yè)態(tài)。所謂產(chǎn)業(yè)技術(shù)鏈與傳遞機(jī)制指的是高校承擔(dān)應(yīng)用基礎(chǔ)理論、方法研究與驗(yàn)證、傳遞，科研院所從事技術(shù)創(chuàng)新研究與演示、傳遞，企業(yè)負(fù)責(zé)技術(shù)規(guī)模化及利潤(rùn)最大化創(chuàng)新研究、生產(chǎn)和服役反饋，各司其責(zé)。通過(guò)“兩個(gè)全過(guò)程”研究形成可用可靠技術(shù)和材料，以科學(xué)認(rèn)識(shí)論和“真知”育人，以領(lǐng)先技術(shù)立業(yè)，以長(zhǎng)壽命、高可靠關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)用贏取信譽(yù)，成就中國(guó)特色材料產(chǎn)業(yè)。

4　結(jié)束語(yǔ)

(1)材料科學(xué)與工程進(jìn)入了“材料研制全過(guò)程”和“材料應(yīng)用研究全過(guò)程”的“兩個(gè)全過(guò)程”新時(shí)代，可獲得極限固有性能和極限服役性能的可用可靠材料。

(2)實(shí)現(xiàn)材料科學(xué)與工程“兩個(gè)全過(guò)程”研究，營(yíng)建材料體系和中國(guó)產(chǎn)業(yè)，可成就材料強(qiáng)國(guó)。

[1] 美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì).90年代的材料科學(xué)與材料工程——在材料時(shí)代保持競(jìng)爭(zhēng)力[M]． 北京：航空工業(yè)出版社，1992.

(United States National Research Council．Materials science and engineering for the 1990s: maintaining competitiveness in the age of materials[M]. Beijing：Aviation Industry Press，1992.

[2] 佚名.發(fā)展中的材料研究[M].楊柯，譯. 沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

(Anon. Advanced materials reseach[M]. Shenyang：Liaoning Science and Technology Press，1994.)

[3] PREVEY P，JAYARAMAN N，NOTKO N．Mechanical suppression of SCC and corrosion fatigue failures in 300M steel landing gear[C]∥ Proceedings of ASIP，Nov 29-Dec 2，2004，Memphis，Lamba Technology：254-1-10．

(責(zé)任編輯：王俊麗)

A New Age of Materials Science and Engineering

ZHAO Zhenye

(Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

The “four essential factors” of materials science and engineering，including composition(component) and structure, synthesis and process, property and service behavior, were explained. The proposal of “four essential factors” ends the chaotic state of materials research and bridges the gulf between the theory and industry. Based on these, reliable materials with ultimate congenital properties are obtained, and advanced materials can be developed rapidly. Moreover, author raised the concept of “two whole processes”, namely the whole process of materials development and the whole process of materials application research. The implementation of the two whole processes on a high level can ensure the acquisition of reliable and useful materials with ultimate congenital and ultimate service properties, which will lead “materials science and engineering” into a new era and enable China to be a powerful country in the field of materials.

whole process； four essential factors； materials science and engineering

2016-04-06；

2016-04-28

趙振業(yè)(1937—)，男，研究員，中國(guó)工程院院士，主要從事航空超高強(qiáng)度鋼研究，(E-mail)zhaoykl@126.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.3.001

TB3；V25

A

1005-5053(2016)03-0001-06