金属材料：敢问路在何方？

前世今生

欧美的演变情况： 19世纪后半叶，英国和美国部分大学开始设立矿冶系，分别侧重于炼钢、铸铁、冶炼工艺安排教学。1957年，前苏联成功发射人造卫星。其中，宇航材料的一系列重大突破为这次成功打下了坚实的基础。而这次一事件也引起了英美对材料研究和教育产生了影响。20世纪50年代开始，英美原设置冶金系的大学逐步将系名更改为冶金与材料系或者材料系。 80年代以后，欧美大学基本以材料科学与工程系命名，冶金系完成向材料系转变。

国内的演变情况：1895年成立的北洋西学学堂设立矿冶学科，开创了国内材料教育先河。之后，国立唐山工学院、东北大学、武汉大学等相继设立冶金系。主要是培养矿冶人才，满足开发材料资源需求。 新中国成立后，借鉴苏联经验，北京钢铁学院、东北工学院和中南矿冶学院等冶金工业院校成立。这一时期，材料科学技术人才被分割在十几个专业内培养。例如金属材料被细分为冶金物理化学、金属材料及热处理、铸造、焊接、压力加工、粉末冶金等专业。 改革开放以后，借鉴欧美大学材料系的发展经验，浙大、清华、北科、复旦相继成立材料科学与工程系。在这期间，材料科学学科也做了相应的改革，总体上已打破专业设置界限，加强专业间的渗透和联系。

可见，金属材料专业是材料科学与工程领域的基础学科，是材料学发展的基石。相比高分子专业、无机非金属专业，金属材料专业可谓源远流长。悠久的发展历史完善了它的知识体系，杰出的专家学者夯实了它的基础研究。

昔日辉煌

周行健（1895-1986）冶金学家与冶金材料学家

他是中国开发电炉炼钢技术中率先进行特殊钢和合金铸铁研究者和生产者之一；与周仁等一起，倡导以铸代锻，首先在中国进行球墨铸铁研究成功；较早进行压力加工研究，并在上海创建了国内第一个压力加工实验室；开拓了金属物理性质和摩擦与润滑方面的研究工作。他长期致力于科研组织领导工作，恢复、发展和创建了三个大型冶金科研机构。

师昌绪（1918-2014）中国高温合金之父

他是中国高温合金开拓者之一，发展了中国第一个铁基高温合金，领导开发我国第一代空心气冷铸造镍基高温合金涡轮叶片，可用作耐热、低温材料和无磁铁锰铝系奥氏体钢等，具有开创性。主要从事合金钢、高温合金及材料强度的研究工作。领导研制成功中国第一代铸造多孔气冷涡轮叶片，为中国航空工业的发展作出了贡献。多次参加或主持制订中国有关冶金材料、材料科学、新材料全国科技发展规划；主持国家重点实验室、国家工程研究中心及国家重大科学工程的立项和评估工作。

1948年，师昌绪赴美留学研读材料科学，并在麻省理工学院工作三年，研究用在飞机起落架上的超高强度钢，“由我那个论文发展出了一个钢叫300M”，他此前在接受央视采访时不无自豪地说，“现在，我们所有的歼击机，都是用的300M。

经过前辈们夙兴夜寐的钻研，金属材料专业的知识结构已日趋成熟。在2015年美国汤森路透集团（Thomson Reuters）公布的全球2015高被引科学家名单“Highly Cited Researchers 2015”中的材料学家大多数是研究高分子或无机非金属材料的。那么，金属材料专业已经走到尽头了吗？

当然没有。

领军人物

金属材料是国防支撑材料、高技术关键材料、国民经济基础材料，这决定了金属材料在所有材料中的支柱地位。如今金属材料的发展已从纯金属、纯合金中摆脱出来。随着材料设计、工艺技术及使用性能试验的进步，传统的金属材料得到了迅速发展，新的高性能金属材料不断开发出来。下面来了解一下现代先进金属材料以及领军人物吧：

①先进结构材料：

特点：高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损
途径：细化、均匀化组织，合金化，改进加工技术
代表：镁铝合金、合金钢

钟掘（1936年生）中国工程院院士

她长期从事机械工程和材料制备领域的教学与科研工作。提出了铝合金电磁场铸轧和快凝铸轧新原理，创造了电磁场铸轧技术与装备、快凝铸轧技术与装备，形成的生产线高效节能、品质优良;完成了特宽铝带轧线高技术改造、巨型水压机扩改工程、高性能特薄铝板技术开发等多项国家重点工程，为保证重要军工产品的制成和铝材产业进入国际先进水平提供了科技基础。

②高温合金材料

特点：高比强度、高比刚度、提高高温工作效率
途径：颗粒或短纤维增强金属基复合材料
用于：航空发动机、涡轮
代表：Ti、Ti-Al合金
曹春晓（1934年生）

中国科学院院士

他是中国钛合金研究与应用的创始人之一。他不断开创新型钛合金和钛--铝系金属间化合物，并应用于航空工业，显著减轻飞机及其发动机的结构重量根据再结晶和相变相结合的原理，创立了高低温交替热变形技术，解决了长期以来存在于大型钛合金零件生产中的金相组织不均匀的关键问题首先利用特定的相变模式优化钛合金的β转变组织形态和性能，创立BRCT热处理技术利用形变--相变联合机制，创立钛合金急冷式β热变形强韧化技术研究了钛合金的强化机制、阻燃机理、疲劳裂纹扩展特征及其它基础问题，并相应地取得了创造性成果。

③复合材料

特点：高强度、高模量

代表：镁、铝、钛等金属基复合体

王浩伟（1966年生）上海交大教授

他在近二十年来主要从事金属基复合材料及其铸造成形和生态环境材料的研究，在铝基复合材料原位合成制备技术和性能方面取得突破性进展，首次实现了复合材料大型复杂构件的直接铸造成形，应用于国防战略武器和先进半导体设备获得突破，为解决金属基复合材料发展与应用的关键问题开辟了新途径；在铝基复合材料界面与性能、成形与凝固过程、镁基复合材料与表面复合材料等方面有较深入的研究

④超导材料

超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能

周廉（1940年生）中国工程院院士

他是中国著名的超导和稀有金属材料专家，长期致力于超导和稀有金属材料的研究与发展工作，从20世纪60年代起，研制低温超导材料，发展了均质铸锭及最佳时效形变技术，在铌钛和铌三锡材料及高场磁体制备性能研究及超导工程应用方面做出了突出贡献。20世纪80年代以来，在高温超导材料研究方面，主持了钇系超导块材、铋系超导带材及高温超导电缆等多项研究，在高温超导材料合成、制备、性能及应用方面取得了一系列重大突破。

⑤能源材料

主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料等

蒋利军（1964年生）北京有色金属研究总院能源材料与技术研究所所长

他长期从事能源材料研究，完成了储氢电极材料研究及中试并成功技术转让，实现了我国首辆镍氢电池电动汽车示范运行；完成了多种新型高容量储氢材料和固态储氢系统研究，研制的储氢装置示范应用于多种燃料电池电源系统中；研制的太阳能高温真空集热管示范应用于太阳能光热电站中。

⑥智能材料

形状记忆合金、压电材料、磁致伸缩材料

徐惠彬（1959年生）中国工程院院士、北航校长

他在德国留学期间与导师Müller教授一起揭示了热弹性马氏体相变滞后本质，被同行学者称为“理想伪弹性Müller-Xu热力学理论”。回国后长期从事航空发动机高温结构材料及热障涂层、形状记忆合金和磁致伸缩材料等方面的研究和人才培养，研究方向：马氏体相变与新型形状记忆合金研究、巨磁致伸缩材料研究、折叠热障涂层研究。

⑦磁性材料

软磁材料：易于磁化并可反复磁化的材料
代表：铁硅合金、铁镍合金、非晶金属
硬磁材料：永磁材料经磁化后，去除外磁场仍保留磁性
代表：铁氧体和金属永磁材料

沈保根 中国科学院院士

他是磁性材料专家，长期从事磁性物理学和磁性材料的研究工作。开展了非晶态合金的磁性和输运性质研究，解释了金属-金属基非晶态合金中磁性和电性的反常现象;研究了稀土-铁基化合物的结构与磁性，合成出多种新型纳米晶稀土永磁材料，揭示了它们的矫顽力机理;研究了稀土-过渡族化合物的晶体结构、相变、磁性和磁热效应，发现了多种新型大磁热效应材料，阐明了一级相变体系中磁热效应的物理机制。

⑧纳米材料

纳米金属：对于高熔点难成形的金属，只要将其加工成纳米粉末，即可在较低的温度下将其融化，制成耐高温的元件，用于研制新一代高速发动机中承受超高温的材料。

卢柯（1965年生）中国科学院院士

被誉为纳米材料科学的先驱，他的梯度纳米结构材料享誉世界，金属梯度纳米结构材料成为世界最具发展潜力的新材料之一。还在读博士学位时，卢柯就对非晶态金属的晶化动力学及其微观机制进行了深入研究，在国际上首次提出非晶态材料的有序原子集团切变沉积化机制，解释了一系列用经典理论难以解释的实验结果，并为以后研究非晶晶化形成纳米晶体提供了理论依据。他提出的制备纳米金属的新方法——非晶完全晶化法被纳米材料的鼻祖 H Gleiter教授写进材料科学教科书，使我国在纳米晶体研究领域一跃进入国际前列。

路在何方

21世纪形成四大类工程材料平分秋色

新世纪对材料提出新的要求，要求彼此分割的各专门学科结合起来，要求被隔绝于各专门学科的科学工作者们认识到所肩负的共同使命，协同工作，高效地创造价廉、优质和低消耗的新材料，材料科学家们将开创一个合作研究的新局面。建立金属材料科学的完整理论体系最有效的方法是使原有各理论相互结合。这也是一个艰难创新的过程，它涉及对原有理沦的改革，铺设结合的通道。位错理论、电子理论、统计热力学的结合将从根本上解决材料力学性质的问题。宏观热力学、统计热力学、晶体学、电子理论、位错理论、界面科学以及多种性质理论的结合将成为金属材料系统科学的完整理论体系。金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料的界线将逐渐模糊，四类材料的统一性将会逐渐增加，包容这四类材料理论的“材料科学”将成为名副其实。熔炼铸造、粉末冶金、轧压、层压、挤压、缠绕、编织、浸渍、喷涂、沉积等制备材料的工艺方法将会相互结合，综合运用。“材料科学与工程”命名的合理性将更加鲜明。材料科学与计算机技术，以及其它科学的结合，将使“材料科学与工程”的面貌大为改观。

所以，材料科学工作者们一定要紧跟时代的潮流，自觉地学习和运用系统论思维方式，掌握跨学科思维，实现学科之间的融合创新。

本文由材料人孟令晓供稿，材料牛编辑整理。

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