两个“全过程”与材料

北京航空材料研究院研究员、中国工程院院士 赵振业

两个“全过程”与材料

北京航空材料研究院研究员、中国工程院院士 赵振业

一、材料科学与工程

从石材、木材、铁材到复合材料，材料发展走过了千万年历史，材料伴随和推动人类文明进程。材料是一个活跃而无止境的领域，极大地推动现代科学发展。材料属于应用科学范畴，其目标在于形成有价值的形式。先进材料属于科学前沿，其实验和理论都达到了很高的水平，先进材料具有“极限”性能特征，并成为制约多种科学领域技术进步的重要因素。

在上个世纪50～60年代形成的“材料科学与工程”是材料发展史上的一件大事，它填补了理论科学与工程技术间的鸿沟、弥合了理论科学与技术产业间的脱节，结束了材料发展的混沌状态，遂后又发展了“四要素”，即成分（组成）与结构，合成与加工，性质，服役行为，如图1所示。材料科学与工程推动了材料大发展。如今使用和发展的碳纤维增强复合材料、纳米材料、超（负）材料等新型材料彰显了“材料科学与工程”的无比创造力。材料研究的目的全在于应用。先进材料研究与发展都具有强烈的应用背景，明确的性能指标，适宜的使用模式，成为一个复杂的技术体系。“材料科学与工程”创造着无与伦比的经济价值和社会价值。

二、两个“全过程”

科学认识论认为，人类在认识客观世界中，总是要经过实践——认识——再实践——再认识这一认识单元的反复，才能到达相对的真理。认识的目的在于改造客观世界。“材料科学与工程”发展中，也要经过理论——材料——再理论——再材料认识单元的反复，才能获得相对的真知，即先进材料。这一认识单元由应用基础理论、应用技术、工程化生产、失效反馈等四个要素组成，称谓“全过程”，如图2所示。

其实，材料科学与工程“全过程”由两个“全过程”组成，即“材料研制全过程”和“材料应用研究全过程”，如图3所示。两个“全过程”的形式完全相同，但四要素的内涵完全不同。

“应用基础理论”是指直接导向技术创新的基础理论，如图4所示。应用基础理论是材料技术及材料应用技术创新的向导，没有应用基础理论就不会有技术创新，谁掌握了应用基础理论，谁就有可能创新先进材料。比如，在“材料研制全过程”中，创新高强度合金，首先必须先掌握相变强化机理、沉淀硬化机理；创新复合材料必须掌握相关的界面机理，而要创新高温合金，必须掌握蠕变机理等。在“材料应用研究全过程”中，创新抗疲劳应用技术，必须掌握抗疲劳机理等等。

“应用技术”指的是研究的技术主体，即“材料研制全过程”中的“材料技术”，“材料应用研究全过程”中的“材料应用技术”，如图5所示。它们的内涵是材料科学与工程的“四要素”，即成分、组成与结构，合成与制备加工，性质与服役行为。当然，材料技术与材料应用技术的“四要素”的名称虽然相同，但内涵却是完全不同的。比如，“材料研制全过程”中的“制备加工”要素指的是合金的熔炼、热加工成材技术；在“材料应用研究全过程”中，“制备加工”要素指的是合金的喷丸、离子注入等表面强化技术。“材料研制全过程”要做出具体的材料，“材料应用研究全过程”则是作出把材料变成高性能构件的应用技术体系。

“工程化生产”指的是批量生产技术，如图6所示。它有两项指标，一是将实验室研究的“应用技术”转化为批量生产技术，一是形成有高附加值的形式。二者舍一不能达到研究目标。在“材料研制全过程”中，“工程化生产”指的是能生产出有高附加值的材料的批量生产技术；在“材料应用研究全过程”中，“工程化生产”指的是能生产出有高附加值构件批量生产技术。工程化生产是对“应用技术”的评价，不能生产出有高附加值材料或构件的批量生产技术是无用的，必须返回到“应用技术”阶段再研究。实践中确不少材料或材料应用技术“创新”，但一经工程化生产就不得不返回实验室重新研究。也确有不少材料或材料应用技术用于生产，但在产品上留下一堆问题，甚至终身不得解决。正是这样的教训证明了建立两个“全过程”新概念的重要性和必要性。“工程化生产”有其判定指标，包括性能稳定、批次一致、数据齐全、价格低廉等。不难看出，这是一些批量生产中才能获取的结果。但现在一些工程技术中心设立在高校或研究机构内，那里没有工程化生产实践，何以创新工程化生产技术？

“失效反馈”是“工程化生产”的评价和“应用基础理论”的验证，如图7所示。实践是检验真理的唯一标准。如果形成的材料和材料应用技术做出的构件服役失效机理与赖以设计材料和材料应用技术的“应用基础理论”相一致，表明材料科学与工程的“全过程”认识单元完成，获得了相对的真知——可用可靠的材料。否则，只能修正“应用基础理论”，重新走认识单元的“全过程”。“失效反馈”是一个极为重要的要素和环节，但在材料研究发展中尚未给予足够的重视，甚之常被遗忘。在高等学校中很少设有失效专业和课程，学生学到的是不完整的知识。

在现实研究中，因未实施全过程研究而不能达到预期目标，半途而废的材料不在少数。

两个“全过程”是一个不可分割的整体。“材料研制全过程”赋予材料先天性能，即高强度材料、高温材料、复合材料、高分子材料或功能材料、电子材料的固有性能，如同生男生女。“材料应用研究全过程”赋予材料后天性能。最明显的例证就是齿轮轴承钢材料研制赋予其基本性能，但齿轮轴承用的不是材料本身，而是经表层硬化后的硬化层。所以，必须进行表层硬化这一材料应用技术研究，赋予其高硬度这一后天性能。否则，齿轮轴承钢便不能用作齿轮或轴承。如同不论男生或女生，不培养教育好都不能成才。另一个例证是材料应用技术将超高强度钢300M的疲劳强度提高了37%，将7475-T6高强度铝合金的疲劳裂纹扩展速率改善了1500倍。但是人们曾经花了30多年时间把结构钢从高强度钢30CrMnSiA发展至30CrMnSiNi2A,再发展到超高强度钢300M，整个体系的疲劳强度仅提高36%。试问为什么要花那么大的人力、物力和那么长的时间发展几个材料牌号，而不毕其功于简单的“材料应用研究”一役呢？从低强度合金2024到高强度合金7475，再到超高强度合金7055，再到损伤容限合金2524，几十年过去了，而整个体系改善疲劳裂纹扩展速率的效果与1500倍相去甚远。但国内外还在研究发展损伤容限高强度铝合金。

从上述例证可以看到“材料应用研究”带给材料多么高的后天性能，甚至是“材料研制”所不能实现的。从而不难得出结论，与“材料研制全过程”一样，“材料应用研究全过程”是“材料科学与工程”不可或缺的一部分。两个“全过程”共同构成“材料科学与工程”，如同鸟的两翼，人的双手一样相辅相成，形成可用可靠材料。但是，在现实研究中，因未实施两个“全过程”研究而不能适应服役环境，已制成构件用于装备，不得不更换材料或造成极大损失的现象却屡见不鲜。

材料先天性能加上后天性能才是构件的服役性能。“材料研制”与“材料应用研究”两个“全过程”合二而一提高构件服役性能效果极为显著。飞机起落架是一个疲劳性能要求很高的构件。上个世纪60～80年代，我国战机起落架技术落后，寿命短、可靠性差。某起落架用超高强度钢制造，设计寿命3000Fh，但25年中多次试验，没有一次达到设计指标。暂定200Fh寿命，服役中不稳定，最短不足80Fh便产生裂纹。经“材料研制”获得300M钢，具有超高强度、高韧性、高疲劳强度，但疲劳强度对应力集中敏感的先天性能，再经“材料应用研究”，创新10多种抗疲劳应用技术，获得了高疲劳强度、疲劳强度应力集中敏感性被抑制的后天性能。用300M钢和抗疲劳应用技术体系制造该起落架，疲劳寿命一举达到3000Fh未失效，我国战机起落架首次实现与飞机机体同寿命。继续试验达到5000Fh仍不失效，第一次达到美国F-15、F-16飞机同一300M钢制起落架5000Fh世界最高规定寿命。增载30%后继续试验至6000Fh仍未失效。从1991年起落架装机服役至今无一故障。10多种型号飞机起落架服役，至今无一故障。寿命与可靠性都达到国外先进水平。图8表示，高强度铝合金、钛合金、超高强度和高温合金钢都具有疲劳强度应力集中敏感的先天性能弱点，采用抗疲劳应用技术抑制了这一敏感性，回复到了各自的固有疲劳强度，甚至更高的后天性能，如图8所示。

两个“全过程”是材料科学与工程中的一个基本规律。不仅适用超高强度钢、铝合金，也适应高温合金、复合材料、高分子材料、功能材料和电子材料等。当前应当强调“材料应用研究全过程”，因为它还没有被充分认识和实行，两个“全过程”尚处于隔离或脱节状态，而且有大量问题急待解决。

如前所述，先进材料研究发展都有一个确定的性能指标。如涡轮叶片用高温合金，研究发展时规定有耐高温、持久、蠕变、抗氧化等指标，“材料研制”会达到这些指标。涡轮叶片服役时，叶身上部温度高达1000℃，合金上述性能确实可以保证服役安全。但是叶身下半部温度可下降到750℃，该温度下合金的失效机理不再是蠕变而是蠕变——疲劳；到了叶片榫头部位，温度可降至650℃以下，该温度下合金的失效机理不再是蠕变——疲劳而是疲劳——蠕变或疲劳。如果不进行“材料应用研究”赋予其抗蠕变——疲劳、疲劳——蠕变和疲劳的后天性能，便不能保证叶片服役安全。事实上，涡轮叶片频发故障就多来自疲劳——蠕变或疲劳。

碳纤维增强树脂基复合材料是个混合体，准各向同性材料，要保障承受多向载荷的主承力构件长寿命和服役安全，不赋予后天性能是难以实现的。颗粒增强金属基复合材料中，硬颗粒均匀分布于基体。到达构件表面的颗粒无疑是一个高应力集中区，并导致疲劳强度剧烈降低，用什么应用技术予以补强？陶瓷、碳——碳复合材料几乎是脆性材料，但它们是未来发动机的叶片、叶——盘、叶——环材料，如不实现“材料应用研究全过程”，如何满足服役要求？

功能材料、电子材料、高分子材料又靠什么应用技术保证由它们制成的元器件服役安全和长寿命？

三、实践两个“全过程”

如今，材料科学与工程发展到了一个新阶段。不仅行成了包括理论科学、应用科学、工程科学体系，材料具有或已在追求其极限性能，而且制约广大科学领域的发展。先进材料需要突破新的领域，履行其新责任。人类千万年来向其赖以生存的地球无限制地索取，无异于毁坏自己的家园。材料科学与工程肩负着改索取为反哺，改污染为变废为宝的历史使命，面临着认识新兴科学前沿，开拓新的科学研究模式，以创新材料、实现可持续发展的挑战。但是，当前两个“全过程”分割，认识的偏跛与实践的脱节，正在制约材料科学与工程的创新发展。这一状况与“材料科学与工程”形成前材料科学与工程技术脱节的状况十分相似。因此，迎接这一挑战，最需要的是弥合当前两个“全过程”的隔离与脱节，强调 “材料应用研究全过程”，建立材料科学与工程的两个“全过程”概念，实践两个“全过程”。可以预期，两个“全过程”一定如同半个世纪前形成“材料科学与工程”一样，把先进材料推进到新一轮的大发展。

赵振业 金属材料学家，1937年生，北京航空材料研究院研究员，中国工程院院士,北京航空航天学会副理事长，中国航空学会材料工程分会名誉主任委员。

50年来一直从事航空超高强度钢应用基础理论、合金设计和应用科学技术研究。主持研制成功300M钢，实现战机起落架6000飞行小时不失效,达到并超过国外5000飞行小时最高规定寿命,广泛应用20年来无一故障，获国家科技进步一等奖。发明我国第一个航空中温超高强度钢38Cr2Mo2VA、第一个12%Cr型马氏体热强不锈钢GX-8，率先将不锈钢、不锈齿轮轴承钢提升到超高强度、高韧性，为超高强度钢体系和多项重大航空工程做出突出贡献。

获国家级科技成果奖5项,专著《合金钢设计》。