韓靜濤：了不起的匠人

文/郭曉心·中國(guó)鍛壓協(xié)會(huì)

韓靜濤：了不起的匠人

文/郭曉心·中國(guó)鍛壓協(xié)會(huì)

韓靜濤，北京科技大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“北科大”）材料科學(xué)與工程學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“材料學(xué)院”）教授、學(xué)科主任，兼任中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)全國(guó)委員會(huì)委員、中國(guó)鍛壓協(xié)會(huì)首席專家、中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)理事、中國(guó)金屬學(xué)會(huì)榮譽(yù)理事、中鋼構(gòu)冷彎型鋼分會(huì)理事長(zhǎng)、北京機(jī)械工程學(xué)會(huì)壓力加工分會(huì)主任等職，主要研究方向?yàn)榻饘偎苄猿尚谓槲⒂^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(shù)、特種成形工藝、金屬層壓復(fù)合材料技術(shù)、冷彎型鋼技術(shù)裝備研究等廣泛領(lǐng)域，并卓有建樹，研究成果曾獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)等多項(xiàng)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)。

20世紀(jì)90年代初，韓靜濤教授在國(guó)際上最先發(fā)現(xiàn)了金屬材料成形過程中的裂紋自愈合現(xiàn)象，提出了金屬材料內(nèi)裂紋自修復(fù)理論并應(yīng)用于工程實(shí)際。經(jīng)過二十余年腳踏實(shí)地研究工作，這一理論和技術(shù)理念逐漸被科學(xué)界所廣泛接受。他不畏艱難，勇于承接了國(guó)家“九五”技術(shù)改造重點(diǎn)項(xiàng)目“提速及高速列車車輪軋制工藝研究”這個(gè)燙手的山芋，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)實(shí)心腹板提速與高速列車車輪的自主生產(chǎn)，為我國(guó)鐵路列車歷史性的“六次大提速”奠定了基礎(chǔ)。他創(chuàng)造性地提出了金屬塑性成形機(jī)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(cè)證實(shí)了該模型的存在，給金屬材料科學(xué)的發(fā)展帶來了巨大的沖擊，相關(guān)研究正在進(jìn)行中。

韓靜濤教授

韓靜濤教授進(jìn)入鍛壓行業(yè)并非興趣使然，而是慢慢從科學(xué)研究的事業(yè)中找到樂趣的，現(xiàn)在的他已經(jīng)進(jìn)入了根據(jù)研究興趣來制訂研究課題的階段。從被動(dòng)參加科研工作到主動(dòng)規(guī)劃與構(gòu)建學(xué)科領(lǐng)域，這種轉(zhuǎn)變經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。近日，本刊記者帶著一顆敬畏之心，對(duì)韓靜濤教授進(jìn)行了專訪。

匠心 求索未知領(lǐng)域

當(dāng)被問及如何洞察行業(yè)發(fā)展需求、發(fā)現(xiàn)科研課題時(shí)，韓靜濤教授笑道，這需要科研人員在非常熟悉本專業(yè)的同時(shí)了解更廣闊領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)進(jìn)展。譬如參加各類學(xué)術(shù)與社會(huì)活動(dòng)，從參加工作開始，對(duì)于每場(chǎng)學(xué)術(shù)報(bào)告，不論是否和自己的研究工作相關(guān)，首先要尊重報(bào)告人的工作，虛心學(xué)習(xí)，堅(jiān)持邊聽、邊記、邊思考，同時(shí)列出對(duì)自己和團(tuán)隊(duì)成員可能有啟發(fā)的問題，與報(bào)告人交流，并在會(huì)后對(duì)每個(gè)報(bào)告寫小總結(jié)。這首先是逼迫自己全神貫注地聽每場(chǎng)報(bào)告，堅(jiān)持下來，進(jìn)步就很快，收獲也很大。他坦言，開會(huì)就是學(xué)習(xí)，知識(shí)面在無形中拓寬了。韓靜濤教授介紹，高校的材料學(xué)科分為材料科學(xué)和材料工程兩部分，其科學(xué)研究的任務(wù)就是探索未知、創(chuàng)造新的技術(shù)，是高?？蒲泄ぷ鞯闹攸c(diǎn)。理論研究通常都是非?；A(chǔ)的研究，很難出成果，需要相當(dāng)?shù)姆e累，需要試驗(yàn)手段和方法的突破，研究成本很高。國(guó)家應(yīng)加大力度支持對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有實(shí)際和重要作用的原創(chuàng)性研究，并給與足夠的容忍。高校的科學(xué)研究工作應(yīng)該以基礎(chǔ)研究的突破和創(chuàng)新性技術(shù)研究為基礎(chǔ)，這才是高?？茖W(xué)研究的價(jià)值所在。

北科大材料學(xué)院的材料科學(xué)與工程學(xué)科是從鋼鐵材料研究沿襲而來，基礎(chǔ)非常雄厚，這是北科大的強(qiáng)項(xiàng)。韓靜濤教授坦言，國(guó)內(nèi)各高校的材料學(xué)科都有其長(zhǎng)板與短板，我國(guó)材料界的幾位泰斗級(jí)人物都出自于北科大，但該校材料加工專業(yè)的力學(xué)基礎(chǔ)則相對(duì)薄弱。

眾所周知，鋼是由鐵、碳兩種元素組成的擴(kuò)散性相變合金。在鐵碳相圖中，鐵元素在經(jīng)過727℃居里溫度點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生重要的相變，人們僅對(duì)鋼中的鐵元素在727℃以上組織演化的作用有了點(diǎn)相對(duì)粗淺的了解，但是還遠(yuǎn)未認(rèn)識(shí)其真實(shí)的內(nèi)涵，對(duì)鐵元素在該溫度之下的演化規(guī)律則還基本上是一無所知。同時(shí)，人們對(duì)鋼中碳元素在727℃以下的物理作用機(jī)理還知之甚少。即使在人類現(xiàn)有的認(rèn)知水平下，鋼在我們面前光怪陸離的表現(xiàn)都已經(jīng)令人嘆為觀止了。所以，鋼鐵材料以其普遍性、可持續(xù)性，與人類和環(huán)境的適應(yīng)性，仍然列為工程材料的首選，對(duì)其功能與特性的探索與開發(fā)尚有著無限的前途。隨著人們對(duì)其介微觀動(dòng)靜態(tài)演化機(jī)理研究的深入，將會(huì)發(fā)現(xiàn)其更多的利用價(jià)值，無論是科學(xué)理論上還是在實(shí)際應(yīng)用上。

層壓復(fù)合是復(fù)合材料領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，也是韓靜濤教授研究材料的重點(diǎn)開發(fā)方向之一。層壓復(fù)合材料的性能優(yōu)劣主要體現(xiàn)在界面復(fù)合狀態(tài)與水平上，在多年研究工作的基礎(chǔ)上，韓靜濤教授提出了層壓復(fù)合材料的“ZUX”理論，“Z”型復(fù)合是指兩材料界面的化學(xué)成分呈斷崖式分布，界面結(jié)合基本上是機(jī)械貼合，僅有較微弱的界面結(jié)合力。這種復(fù)合材料在進(jìn)行后續(xù)加工時(shí)，略施加外力就會(huì)引起復(fù)合界面的開裂。爆炸復(fù)合技術(shù)仍屬于這種復(fù)合等級(jí)?！癠”型復(fù)合指兩材料的復(fù)合界面具有一層未知組織形態(tài)的過渡界面，其特征是以極細(xì)小尺寸的硬脆相為主，界面結(jié)合力仍比較弱。“X”型復(fù)合則達(dá)到了真正的金屬鍵梯度復(fù)合，有一相對(duì)較寬的化學(xué)成分梯度過渡區(qū)。10年前，韓靜濤教授開發(fā)了“離心復(fù)合澆注＋熱成形＋冷成形”復(fù)合的新技術(shù)，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(shè)計(jì)者的需要澆鑄多層復(fù)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(shù)制備的15層防彈材料，經(jīng)多道次軋制的最終厚度僅為2.7mm。用于替代傳統(tǒng)的防彈鋼材料，可使傳統(tǒng)防彈鋼板的面密度降低40%以上，并通過材料設(shè)計(jì)來產(chǎn)生多次應(yīng)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(yīng)用在戰(zhàn)略坦克、兩棲裝甲車、運(yùn)鈔車、船體等各類運(yùn)載工具，以及特殊要求固定結(jié)構(gòu)物上，可以大幅度降低材料自重，顯著提高材料利用率和經(jīng)濟(jì)效益。

匠作 不斷超越自我

韓靜濤教授認(rèn)為，目前的金屬學(xué)理論表現(xiàn)出諸多的先天不足。第一，關(guān)于晶粒尺寸大小的描述與測(cè)度方法顯然是不科學(xué)的，傳統(tǒng)金相方法所觀測(cè)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(shí)際晶粒。第二，關(guān)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(duì)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(yīng)當(dāng)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(shí)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(duì)其進(jìn)行有效的觀測(cè)，都是將其加熱到完全奧氏體溫度后通過水淬來觀測(cè)其組織，但此時(shí)我們看到的實(shí)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(xué)。然而，可悲的是，我們?nèi)匀辉谟眠@些似是而非的研究手段進(jìn)行我們的科學(xué)研究工作。

韓靜濤教授的科研生涯是從塑性加工有限元數(shù)值模擬理論與技術(shù)起步的。20世紀(jì)80年代初，國(guó)內(nèi)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(chǔ)方程推導(dǎo)開始做起，1984年完成了國(guó)內(nèi)第一篇三維剛塑性有限元模擬研究的學(xué)位論文。目前，韓靜濤教授構(gòu)建了從微觀尺度(原子級(jí)別）到介觀尺度(晶粒級(jí)別）再到宏觀尺度(人類同視覺尺度）的研究體系，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)入更為宏觀巨系統(tǒng)，可將一個(gè)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(gè)系統(tǒng)里任何一臺(tái)設(shè)備單一參數(shù)的微小變化，都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成干擾……。這個(gè)理念的研究是從原子級(jí)別的粒子動(dòng)力學(xué)模擬到宏觀系統(tǒng)仿真，與國(guó)際同行一起，引領(lǐng)著國(guó)際塑性加工領(lǐng)域數(shù)值模擬研究的前沿。

金屬材料內(nèi)裂紋自愈合理論與自修復(fù)技術(shù)，是韓靜濤教授在國(guó)際塑性加工領(lǐng)域最早提出的理念和技術(shù)方法。傳統(tǒng)的材料科學(xué)與固體力學(xué)理論都認(rèn)為材料一旦出現(xiàn)了裂紋就是一個(gè)不可逆的物理過程。韓靜濤教授在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)了內(nèi)裂紋自愈合的現(xiàn)象，提出了自修復(fù)的機(jī)理，并形成了大型鍛件內(nèi)裂紋自修復(fù)技術(shù)，隨即應(yīng)用于工程實(shí)踐。在韓靜濤教授的倡導(dǎo)和指導(dǎo)下，20世紀(jì)90年代中期始，國(guó)內(nèi)外大鍛件生產(chǎn)廠家逐漸采用了這項(xiàng)技術(shù)。

目前，位錯(cuò)理論仍然是金屬塑性成形理論的核心內(nèi)容，但是工程實(shí)踐中的很多現(xiàn)象都無法用這一理論進(jìn)行科學(xué)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(gè)問題至今仍是謎團(tuán)。韓靜濤教授提出了金屬塑性成形機(jī)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(cè)晶粒的變形與變位，韓靜濤教授選派留學(xué)生與澳大利亞原子能中心、美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室和歐洲原子能中心合作，終于觀測(cè)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(jié)果?；敬_認(rèn)：金屬成形的主要貢獻(xiàn)源自“金屬晶粒的馬賽克化裂解與重組過程”，而位錯(cuò)貢獻(xiàn)僅占其中很小一部分。金屬在冷變形情況下仍然會(huì)有晶粒長(zhǎng)大的行為。

韓靜濤繼續(xù)介紹到，金屬熱加工，如鍛造工藝的成功實(shí)施70%在于人的因素，30%依賴于設(shè)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(jīng)驗(yàn)的熱加工工程師與技師大都具有非常強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變能力，對(duì)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(guó)內(nèi)熱加工崗位的技術(shù)人員永遠(yuǎn)在變動(dòng)，這與國(guó)外技術(shù)人員能在崗位上堅(jiān)守幾十年的情況不同，是一件非常堪憂的事。

匠人 踐行產(chǎn)學(xué)研合作

材料加工工程專業(yè)是工科專業(yè)，離不開現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際操作與體會(huì)。由于種種原因，我們的教師逐漸脫離了工程實(shí)際，躲進(jìn)了象牙塔。高等學(xué)校塑性加工領(lǐng)域的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室逐漸被淘汰，教師和學(xué)生缺乏設(shè)備載體和實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，這成為當(dāng)前高校人才培養(yǎng)和科學(xué)研究的短板。老一代教師中不少人很有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操的基礎(chǔ)，并且科研工作經(jīng)歷豐富，韓靜濤教授和他所培養(yǎng)的學(xué)生都頗受企業(yè)歡迎。當(dāng)時(shí)的特點(diǎn)是，企業(yè)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)豐富，但由于接觸工藝和使用設(shè)備單一，容易犯經(jīng)驗(yàn)主義的錯(cuò)誤，難于發(fā)現(xiàn)一些基本的工藝誤區(qū)。而經(jīng)驗(yàn)豐富的部分高校教師接觸的工藝方法、設(shè)備種類比較齊全，曾經(jīng)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(yè)技術(shù)人員所不具備的。企業(yè)和高校若能正視這些問題，通過優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，必能推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研用良性發(fā)展。

軋鋼工藝是韓靜濤教授經(jīng)驗(yàn)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(yè)技術(shù)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(jù)該公司三條生產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)裝備條件提出了一攬子解決方案，對(duì)碳鋼薄板生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)汽車用鋼，對(duì)不銹鋼生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)雙相不銹鋼，對(duì)線棒材生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行無孔形軋制技術(shù)改造。一年內(nèi)，三個(gè)項(xiàng)目全部完成，全面提升了該公司產(chǎn)品與技術(shù)水平。

實(shí)心腹板火車車輪軋制技術(shù)是課題組具有較大影響力的項(xiàng)目之一。20世紀(jì)90年代以前，因鐵路和車輪制造技術(shù)水平的限制，我國(guó)傳統(tǒng)火車車輪的腹板位置都有多個(gè)圓孔。這種車輪在火車時(shí)速超過120公里時(shí)，圓孔周圍便會(huì)產(chǎn)生裂紋，容易造成車輪開裂而引發(fā)嚴(yán)重事故。車輪成為嚴(yán)重制約我國(guó)火車提速的關(guān)鍵。當(dāng)時(shí)，國(guó)家“九五”將其作為重點(diǎn)技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行協(xié)同攻關(guān)，太原重機(jī)以廢鋼價(jià)格購買了加拿大一套廢棄多年的二手設(shè)備，因價(jià)格昂貴沒有購買相關(guān)技術(shù)資料，韓靜濤教授臨危受命參與攻關(guān)工作。與太重工程師們一道，共同完成水壓機(jī)鍛造工藝開發(fā)，負(fù)責(zé)車輪軋機(jī)改造與工藝開發(fā)的子項(xiàng)，提出了車輪軋制漸次成形法和差速軋制理論，為該生產(chǎn)線順利竣工與實(shí)心腹板車輪的批量化生產(chǎn)奠定了重要的理論和工藝基礎(chǔ)，開啟了中國(guó)鐵路列車六次大提速的征程。

目前，韓靜濤教授團(tuán)隊(duì)正在研制下一代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)的頭號(hào)環(huán)境公害，其中柴油汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放已成為重要的源頭之一。為提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(tǒng)冷拔方式生產(chǎn)，其內(nèi)壁的皺褶與微裂紋使其耐壓能力僅為160MPa以下，且內(nèi)壁毛糙，壓降很大，僅適用于歐I、歐II排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。第二代高壓油管采用帶芯棒拉拔技術(shù)，使高壓油管的耐壓能力達(dá)到260MPa，改善了內(nèi)壁毛糙程度，由日本臼井公司和德國(guó)曼內(nèi)斯曼開發(fā)并形成全球壟斷，適用于全球的歐III－歐VI排放柴油機(jī)。韓靜濤教授的科研團(tuán)隊(duì)采用內(nèi)外壁同時(shí)快速鍛造方法，開發(fā)出可耐壓400MPa、內(nèi)壁鏡面效果的第三代汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油管，為開發(fā)歐VI以上排放標(biāo)準(zhǔn)的新一代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)夯實(shí)基礎(chǔ)。韓靜濤教授課題組研制開發(fā)的航天器彈射式空間展開系統(tǒng)彈射桿生產(chǎn)線、鋼材表面無酸除磷成套技術(shù)裝備、大型鋼橋安全建設(shè)急需的新型U肋、1500MPa級(jí)四尖角高性能汽車方矩管等，這些研究成果在國(guó)際上都是獨(dú)創(chuàng)并且非常有價(jià)值的，只有將這些難題突破了，才能破除國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)壁壘，從而引領(lǐng)世界工業(yè)革命。韓靜濤教授所率領(lǐng)的是一支真正的科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。

最后，韓靜濤教授語重心長(zhǎng)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(shí)工作的精神，往往急于將處在實(shí)驗(yàn)室階段的初步研究改造變成生產(chǎn)力，這是最可怕的，也引發(fā)了很多的產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目糾紛。實(shí)際上，科研人員應(yīng)該在“家”里踏踏實(shí)實(shí)地將研究成果反復(fù)“雕琢”，至少經(jīng)中試甚至成品后，再去工業(yè)界尋找合適用戶，這時(shí)通?？蛻羰欠浅Ｔ敢饨邮芎献鞯摹?/p>