金屬材料：敢問路在何方？

前世今生

歐美的演變情況：?19世紀后半葉，英國和美國部分大學開始設立礦冶系，分別側重于煉鋼、鑄鐵、冶煉工藝安排教學。1957年，前蘇聯成功發射人造衛星。其中，宇航材料的一系列重大突破為這次成功打下了堅實的基礎。而這次一事件也引起了英美對材料研究和教育產生了影響。20世紀50年代開始，英美原設置冶金系的大學逐步將系名更改為冶金與材料系或者材料系。?80年代以后，歐美大學基本以材料科學與工程系命名，冶金系完成向材料系轉變。

國內的演變情況：1895年成立的北洋西學學堂設立礦冶學科，開創了國內材料教育先河。之后，國立唐山工學院、東北大學、武漢大學等相繼設立冶金系。主要是培養礦冶人才，滿足開發材料資源需求。?新中國成立后，借鑒蘇聯經驗，北京鋼鐵學院、東北工學院和中南礦冶學院等冶金工業院校成立。這一時期，材料科學技術人才被分割在十幾個專業內培養。例如金屬材料被細分為冶金物理化學、金屬材料及熱處理、鑄造、焊接、壓力加工、粉末冶金等專業。?改革開放以后，借鑒歐美大學材料系的發展經驗，浙大、清華、北科、復旦相繼成立材料科學與工程系。在這期間，材料科學學科也做了相應的改革，總體上已打破專業設置界限，加強專業間的滲透和聯系。

可見，金屬材料專業是材料科學與工程領域的基礎學科，是材料學發展的基石。相比高分子專業、無機非金屬專業，金屬材料專業可謂源遠流長。悠久的發展歷史完善了它的知識體系，杰出的專家學者夯實了它的基礎研究。

昔日輝煌

周行健（1895-1986）冶金學家與冶金材料學家

他是中國開發電爐煉鋼技術中率先進行特殊鋼和合金鑄鐵研究者和生產者之一；與周仁等一起，倡導以鑄代鍛，首先在中國進行球墨鑄鐵研究成功；較早進行壓力加工研究，并在上海創建了國內第一個壓力加工實驗室；開拓了金屬物理性質和摩擦與潤滑方面的研究工作。他長期致力于科研組織領導工作，恢復、發展和創建了三個大型冶金科研機構。

師昌緒（1918-2014）中國高溫合金之父

他是中國高溫合金開拓者之一，發展了中國第一個鐵基高溫合金，領導開發我國第一代空心氣冷鑄造鎳基高溫合金渦輪葉片，可用作耐熱、低溫材料和無磁鐵錳鋁系奧氏體鋼等，具有開創性。主要從事合金鋼、高溫合金及材料強度的研究工作。領導研制成功中國第一代鑄造多孔氣冷渦輪葉片，為中國航空工業的發展作出了貢獻。多次參加或主持制訂中國有關冶金材料、材料科學、新材料全國科技發展規劃；主持國家重點實驗室、國家工程研究中心及國家重大科學工程的立項和評估工作。

1948年，師昌緒赴美留學研讀材料科學，并在麻省理工學院工作三年，研究用在飛機起落架上的超高強度鋼，“由我那個論文發展出了一個鋼叫300M”，他此前在接受央視采訪時不無自豪地說，“現在，我們所有的殲擊機，都是用的300M。

經過前輩們夙興夜寐的鉆研，金屬材料專業的知識結構已日趨成熟。在2015年美國湯森路透集團（Thomson Reuters）公布的全球2015高被引科學家名單“Highly Cited Researchers 2015”中的材料學家大多數是研究高分子或無機非金屬材料的。那么，金屬材料專業已經走到盡頭了嗎？

當然沒有。

領軍人物

金屬材料是國防支撐材料、高技術關鍵材料、國民經濟基礎材料，這決定了金屬材料在所有材料中的支柱地位。如今金屬材料的發展已從純金屬、純合金中擺脫出來。隨著材料設計、工藝技術及使用性能試驗的進步，傳統的金屬材料得到了迅速發展，新的高性能金屬材料不斷開發出來。下面來了解一下現代先進金屬材料以及領軍人物吧：

①先進結構材料：

特點：高比強度、高比剛度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損
途徑：細化、均勻化組織，合金化，改進加工技術
代表：鎂鋁合金、合金鋼

鐘掘（1936年生）中國工程院院士

她長期從事機械工程和材料制備領域的教學與科研工作。提出了鋁合金電磁場鑄軋和快凝鑄軋新原理，創造了電磁場鑄軋技術與裝備、快凝鑄軋技術與裝備，形成的生產線高效節能、品質優良;完成了特寬鋁帶軋線高技術改造、巨型水壓機擴改工程、高性能特薄鋁板技術開發等多項國家重點工程，為保證重要軍工產品的制成和鋁材產業進入國際先進水平提供了科技基礎。

②高溫合金材料

特點：高比強度、高比剛度、提高高溫工作效率
途徑：顆粒或短纖維增強金屬基復合材料
用于：航空發動機、渦輪
代表：Ti、Ti-Al合金
曹春曉（1934年生）

中國科學院院士

他是中國鈦合金研究與應用的創始人之一。他不斷開創新型鈦合金和鈦--鋁系金屬間化合物，并應用于航空工業，顯著減輕飛機及其發動機的結構重量根據再結晶和相變相結合的原理，創立了高低溫交替熱變形技術，解決了長期以來存在于大型鈦合金零件生產中的金相組織不均勻的關鍵問題首先利用特定的相變模式優化鈦合金的β轉變組織形態和性能，創立BRCT熱處理技術利用形變--相變聯合機制，創立鈦合金急冷式β熱變形強韌化技術研究了鈦合金的強化機制、阻燃機理、疲勞裂紋擴展特征及其它基礎問題，并相應地取得了創造性成果。

③復合材料

特點：高強度、高模量

代表：鎂、鋁、鈦等金屬基復合體

王浩偉（1966年生）上海交大教授

他在近二十年來主要從事金屬基復合材料及其鑄造成形和生態環境材料的研究，在鋁基復合材料原位合成制備技術和性能方面取得突破性進展，首次實現了復合材料大型復雜構件的直接鑄造成形，應用于國防戰略武器和先進半導體設備獲得突破，為解決金屬基復合材料發展與應用的關鍵問題開辟了新途徑；在鋁基復合材料界面與性能、成形與凝固過程、鎂基復合材料與表面復合材料等方面有較深入的研究

④超導材料

超導材料最誘人的應用是發電、輸電和儲能

周廉（1940年生）中國工程院院士

他是中國著名的超導和稀有金屬材料專家，長期致力于超導和稀有金屬材料的研究與發展工作，從20世紀60年代起，研制低溫超導材料，發展了均質鑄錠及最佳時效形變技術，在鈮鈦和鈮三錫材料及高場磁體制備性能研究及超導工程應用方面做出了突出貢獻。20世紀80年代以來，在高溫超導材料研究方面，主持了釔系超導塊材、鉍系超導帶材及高溫超導電纜等多項研究，在高溫超導材料合成、制備、性能及應用方面取得了一系列重大突破。

⑤能源材料

主要有太陽能電池材料、儲氫材料、固體氧化物電池材料等

蔣利軍（1964年生）北京有色金屬研究總院能源材料與技術研究所所長

他長期從事能源材料研究，完成了儲氫電極材料研究及中試并成功技術轉讓，實現了我國首輛鎳氫電池電動汽車示范運行；完成了多種新型高容量儲氫材料和固態儲氫系統研究，研制的儲氫裝置示范應用于多種燃料電池電源系統中；研制的太陽能高溫真空集熱管示范應用于太陽能光熱電站中。

⑥智能材料

形狀記憶合金、壓電材料、磁致伸縮材料

徐惠彬（1959年生）中國工程院院士、北航校長

他在德國留學期間與導師Müller教授一起揭示了熱彈性馬氏體相變滯后本質，被同行學者稱為“理想偽彈性Müller-Xu熱力學理論”。回國后長期從事航空發動機高溫結構材料及熱障涂層、形狀記憶合金和磁致伸縮材料等方面的研究和人才培養，研究方向：馬氏體相變與新型形狀記憶合金研究、巨磁致伸縮材料研究、折疊熱障涂層研究。

⑦磁性材料

軟磁材料：易于磁化并可反復磁化的材料
代表：鐵硅合金、鐵鎳合金、非晶金屬
硬磁材料：永磁材料經磁化后，去除外磁場仍保留磁性
代表：鐵氧體和金屬永磁材料

沈保根?中國科學院院士

他是磁性材料專家，長期從事磁性物理學和磁性材料的研究工作。開展了非晶態合金的磁性和輸運性質研究，解釋了金屬-金屬基非晶態合金中磁性和電性的反常現象;研究了稀土-鐵基化合物的結構與磁性，合成出多種新型納米晶稀土永磁材料，揭示了它們的矯頑力機理;研究了稀土-過渡族化合物的晶體結構、相變、磁性和磁熱效應，發現了多種新型大磁熱效應材料，闡明了一級相變體系中磁熱效應的物理機制。

⑧納米材料

納米金屬：對于高熔點難成形的金屬，只要將其加工成納米粉末，即可在較低的溫度下將其融化，制成耐高溫的元件，用于研制新一代高速發動機中承受超高溫的材料。

盧柯（1965年生）中國科學院院士

被譽為納米材料科學的先驅，他的梯度納米結構材料享譽世界，金屬梯度納米結構材料成為世界最具發展潛力的新材料之一。還在讀博士學位時，盧柯就對非晶態金屬的晶化動力學及其微觀機制進行了深入研究，在國際上首次提出非晶態材料的有序原子集團切變沉積化機制，解釋了一系列用經典理論難以解釋的實驗結果，并為以后研究非晶晶化形成納米晶體提供了理論依據。他提出的制備納米金屬的新方法——非晶完全晶化法被納米材料的鼻祖 H Gleiter教授寫進材料科學教科書，使我國在納米晶體研究領域一躍進入國際前列。

路在何方

21世紀形成四大類工程材料平分秋色

新世紀對材料提出新的要求，要求彼此分割的各專門學科結合起來，要求被隔絕于各專門學科的科學工作者們認識到所肩負的共同使命，協同工作，高效地創造價廉、優質和低消耗的新材料，材料科學家們將開創一個合作研究的新局面。建立金屬材料科學的完整理論體系最有效的方法是使原有各理論相互結合。這也是一個艱難創新的過程，它涉及對原有理淪的改革，鋪設結合的通道。位錯理論、電子理論、統計熱力學的結合將從根本上解決材料力學性質的問題。宏觀熱力學、統計熱力學、晶體學、電子理論、位錯理論、界面科學以及多種性質理論的結合將成為金屬材料系統科學的完整理論體系。金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料的界線將逐漸模糊，四類材料的統一性將會逐漸增加，包容這四類材料理論的“材料科學”將成為名副其實。熔煉鑄造、粉末冶金、軋壓、層壓、擠壓、纏繞、編織、浸漬、噴涂、沉積等制備材料的工藝方法將會相互結合，綜合運用。“材料科學與工程”命名的合理性將更加鮮明。材料科學與計算機技術，以及其它科學的結合，將使“材料科學與工程”的面貌大為改觀。

所以，材料科學工作者們一定要緊跟時代的潮流，自覺地學習和運用系統論思維方式，掌握跨學科思維，實現學科之間的融合創新。

本文由材料人孟令曉供稿，材料牛編輯整理。

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