形狀性能兼?zhèn)?承載制造夢(mèng)想
——材料成型及控制工程專業(yè)

供稿|陳樹(shù)海，王永金，楊耀華，宋仁伯

在日常生活中，我們會(huì)接觸到各種各樣的金屬材料，小到用來(lái)寫(xiě)字的筆尖、喝水的不銹鋼保溫杯，大到在馬路上飛馳的汽車、在海上航行的萬(wàn)噸巨輪，甚至在太空中飛行的航天器都是由金屬材料制成的。金屬材料已經(jīng)滲透到我們生活的每個(gè)角落，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在改變著我們的生活，可以說(shuō)金屬材料無(wú)處不在。

我們所看到和使用的金屬材料形態(tài)多樣、功能迥異，那么，你們知道這些形狀是怎樣被制造出來(lái)的么？這就要靠我們的專業(yè)——材料成型及控制工程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

不管是工業(yè)用品還是藝術(shù)品，無(wú)論你想將金屬變成何種形狀，我們都可以通過(guò)專業(yè)的技術(shù)把他制造出來(lái)。準(zhǔn)確地講，材料成型及控制工程是研究如何將材料加工成可用產(chǎn)品和零部件的基礎(chǔ)理論與工程技術(shù)專業(yè)。材料成型及控制工程專業(yè)領(lǐng)域面向國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主戰(zhàn)場(chǎng)，是制造業(yè)的支柱。引領(lǐng)中國(guó)“速度”的高鐵、代表中國(guó)“高度”的航天飛船、承載中國(guó)“夢(mèng)想”的大飛機(jī)，一項(xiàng)項(xiàng)大國(guó)重器已成為中國(guó)走向世界的名片。而在這些彰顯大國(guó)力量的重器背后，我們材料成型及控制工程專業(yè)從未缺席！

專業(yè)內(nèi)涵解析

如何將看似普通的金屬材料百鍛成型、鑄煉大器呢？這就需要用到材料成型及控制工程專業(yè)的三大絕技，既固態(tài)成形技術(shù)、液態(tài)成形技術(shù)和連接成形技術(shù)。有了這三大絕技，我們可以輕易地將金屬材料加工成可用產(chǎn)品和零部件。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)對(duì)金屬制品的品質(zhì)和形態(tài)要求日益提高，這三種材料成形技術(shù)幾經(jīng)融合發(fā)展、推陳出新，出現(xiàn)了很多新的材料成形技術(shù)，如3D打印技術(shù)[1]、半固態(tài)成形技術(shù)[2]和攪拌摩擦加工技術(shù)[3]。下面，我們將進(jìn)一步探究這三大絕技。

百變成材的固態(tài)成形技術(shù)

你知道高速鐵路百米重軌、高速輪轂是如何制造的嗎？你知道C919飛機(jī)起落架、渦輪葉片是如何制成的嗎？你知道長(zhǎng)征火箭整流罩、鋁鋰型材是如何成形的嗎？這些大國(guó)重器關(guān)鍵零部件的制造均離不開(kāi)固態(tài)成形技術(shù)。

固態(tài)成形技術(shù)，又稱為金屬壓力加工技術(shù)，是指利用金屬材料在外力作用下的塑性變形能力，來(lái)獲得一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的原材料、毛坯或零件的加工方法，所以說(shuō)固態(tài)成形是一種百變成材的技術(shù)。固態(tài)成形的目的主要有兩個(gè)：一是改變材料的形狀，使其能夠符合使用要求。另一個(gè)是改善其性能，使其更加堅(jiān)固耐用。從小到幾克重的精密醫(yī)療器件大到幾百噸的巨型鍛件，從薄如蟬翼的手撕鋼到能夠抵御炮彈襲擊的裝甲鋼，無(wú)處不體現(xiàn)著固態(tài)成形技術(shù)的強(qiáng)大功效。

當(dāng)然，除了國(guó)之重器的生產(chǎn)加工外，固態(tài)成形技術(shù)在我們?nèi)粘Ｉ钪幸灿兄鴱V泛的應(yīng)用，比如不銹鋼灶具、各種建筑型材，甚至日常生活中的螺釘和螺母也離不開(kāi)固態(tài)成形技術(shù)(圖1)。

無(wú)孔不入的液態(tài)成形技術(shù)

圖1 固態(tài)成形技術(shù)典型產(chǎn)品

你知道航空發(fā)動(dòng)機(jī)高性能葉片是如何制造的么？你知道汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是如何制造的么？你知道芯片里面的基礎(chǔ)材料單晶硅是如何制造的么？你知道國(guó)家博物館的古代青銅器是如何制造的么？這些國(guó)之重器或者國(guó)寶的制造都離不開(kāi)液態(tài)成形技術(shù)。

液態(tài)成形技術(shù)也稱為鑄造，是通過(guò)重力或者外力作用，把液態(tài)材料充填至型腔中，凝固冷卻獲得所需尺寸形狀的制品，所以說(shuō)液態(tài)成形是一種無(wú)孔不入的技術(shù)。液態(tài)成形技術(shù)可生產(chǎn)各種復(fù)雜形狀制品，且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低、效率高。從古至今，液態(tài)成形技術(shù)在人類社會(huì)發(fā)展史中都扮演著重要的角色。

在古代中國(guó)，古人相繼發(fā)明冶銅、冶鐵和獨(dú)特的液態(tài)成形技術(shù)，鑄造禮器、農(nóng)具、工具、兵器等大批器物，促進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展，為華夏文明的發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。中國(guó)古代鑄造精品后母戊鼎、四羊方尊等青銅器就集中體現(xiàn)了古人在液態(tài)成形技術(shù)應(yīng)用上的高超技藝，其在生產(chǎn)生活中的重要作用一直延續(xù)至今(圖2)。時(shí)至今日，傳統(tǒng)的液態(tài)成形技術(shù)仍然支撐著國(guó)家制造業(yè)的發(fā)展，我們利用傳統(tǒng)砂型鑄造技術(shù)制備的多缸體汽車發(fā)動(dòng)機(jī)具有復(fù)雜的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)技術(shù)為汽車提供強(qiáng)勁動(dòng)力。同時(shí)，隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)高性能材料的需求，液態(tài)成形技術(shù)不斷發(fā)展、革新，已開(kāi)發(fā)出多種液態(tài)成形新技術(shù)并得到廣泛應(yīng)用，液態(tài)成形技術(shù)已成為國(guó)家裝備制造業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。我們利用定向凝固技術(shù)制備的具有柱狀晶或單晶組織的高溫合金葉片展現(xiàn)出優(yōu)異的高溫抗蠕變性能和抗氧化性能，使航空飛行器飛得更高、飛得更快、綜合性能更強(qiáng)。

化零為整的材料焊接與連接技術(shù)

你知道“天宮二號(hào)”為什么能在太空運(yùn)行而不發(fā)生泄露？你知道 “蛟龍”為什么潛入幾千米的深海而不發(fā)生爆裂？你知道我第一艘航空母艦“山東號(hào)”的艦體為什么能夠長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米？你知道被譽(yù)為電腦心臟的芯片是如何與外界電路進(jìn)行電氣互聯(lián)的么？這些國(guó)之重器的建造或器件的微觀互聯(lián)都離不開(kāi)材料焊接與連接技術(shù)。

材料焊接與連接技術(shù)是通過(guò)某種物理化學(xué)過(guò)程使分離的材料產(chǎn)生原子或分子間的結(jié)合力而連接在一起，所以說(shuō)材料焊接與連接技術(shù)是把彼此分離的金屬連接起來(lái)，形成理想的構(gòu)件，是一種化零為整的技術(shù)。材料焊接與連接不同于鉚接、螺紋連接、咬合等機(jī)械連接技術(shù)，材料焊接與連接本質(zhì)上是原子或分子層面上的冶金連接，具有強(qiáng)度高、密封性好并且不可拆卸的特征。材料焊接與連接技術(shù)是一項(xiàng)古老而又年輕的連接技術(shù)。說(shuō)它古老是因?yàn)樽钤绲拟F焊技術(shù)可以追溯到幾千年前；說(shuō)它年輕是因?yàn)樯鲜兰o(jì)初電弧焊才被發(fā)明，而直到兩次世界大戰(zhàn)后，這項(xiàng)技術(shù)才正式走向工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域并日臻成熟。

從理論上講，只要可以實(shí)現(xiàn)原子或分子層面的冶金連接均屬材料焊接與連接技術(shù)范疇，而我們?nèi)粘Ｋ熘碾娀『竷H僅是材料焊接與連接技術(shù)中的一種。實(shí)際上，近年來(lái)新的焊接與連接技術(shù)層出不窮，從精細(xì)的激光焊、玄妙的攪拌摩擦焊到各種電子元器件的封裝互聯(lián)技術(shù)均推動(dòng)著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展。今天，倍受國(guó)內(nèi)外關(guān)注的3D打印技術(shù)(或者增材制造技術(shù))也是材料焊接與連接結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字化制造技術(shù)手段發(fā)展起來(lái)的一種重要制造技術(shù)。當(dāng)今現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，從微米級(jí)別的芯片封裝互聯(lián)技術(shù)，到數(shù)百米長(zhǎng)的航空母艦，從飛向太空的宇宙飛船，到探入海底的深潛器，從天上飛行的飛機(jī)，到地上奔馳的汽車，材料焊接與連接技術(shù)始終扮演著不可或缺的重要角色(圖3)。

圖3 材料焊接與連接技術(shù)的典型應(yīng)用

專業(yè)歷史沿革

北京科技大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)歷史悠久，可以追溯到1952年建校時(shí)最早成立的“軋鋼”專業(yè)，1953年更名為鋼鐵壓力加工專業(yè)，1981年成為國(guó)家首批碩士點(diǎn)、博士點(diǎn)，1985年設(shè)立全國(guó)第一批博士后流動(dòng)站。1988年7月本專業(yè)依托的金屬塑性加工評(píng)為國(guó)家首批重點(diǎn)學(xué)科。2001年，本專業(yè)經(jīng)過(guò)學(xué)科調(diào)整合并鑄造研究所與焊接方向，并更名為材料成型及控制工程專業(yè)。2002年本專業(yè)依托的材料加工工程再次評(píng)為國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科，2010年我校申報(bào)教育部“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”四個(gè)特色專業(yè)之一“材料成型及控制工程方向”(4+2，本碩連讀)，并獲得批準(zhǔn)。本專業(yè)依托的材料加工工程學(xué)科是國(guó)家“211工程”重點(diǎn)建設(shè)的學(xué)科，也是首批國(guó)家“985工程”優(yōu)勢(shì)學(xué)科創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)的學(xué)科。自2005年以來(lái)，完成國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目(國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家攻關(guān)、973、863、國(guó)家推廣等)80余項(xiàng)，與寶鋼、鞍鋼等大型鋼鐵企業(yè)合作研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目130項(xiàng)，先后獲得國(guó)家和省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)60余項(xiàng)(含國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)5項(xiàng)，國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)1項(xiàng))。近十年來(lái)，出版專著教材30余部，共獲7項(xiàng)教學(xué)成果獎(jiǎng)(含1項(xiàng)國(guó)家級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng))。本專業(yè)科研與教學(xué)水平等都處于國(guó)內(nèi)前列，并在國(guó)際上具有較大的影響，為促進(jìn)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防軍工等領(lǐng)域的重點(diǎn)基礎(chǔ)與支柱產(chǎn)業(yè)的科技進(jìn)步及快速發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

本專業(yè)目前專任教師48人，其中具有教授(含研究員)職稱的教師25人，具有副教授(含副研究員)職稱的教師14人。其中有中國(guó)工程院院士3人(含雙聘1人)、長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃特聘教授1人、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者1人、國(guó)家千人計(jì)劃1人、國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家1人、國(guó)防973計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家1人、國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才1人，國(guó)家“百千萬(wàn)人才工程”第一、二層次入選者1人、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才1人，北京市科技新星2人。

專業(yè)培養(yǎng)特色

從本專業(yè)的發(fā)展歷史來(lái)看，本專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)一直瞄準(zhǔn)于國(guó)家與社會(huì)的重大需求。專業(yè)培養(yǎng)體系也由原來(lái)單一的壓力加工逐步演變?yōu)楹w固態(tài)成形、液態(tài)成形和連接成形三大方向，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料成形技術(shù)領(lǐng)域的全覆蓋，使畢業(yè)生的專業(yè)能力大大拓展，成為材料加工領(lǐng)域的復(fù)合型人才。

為實(shí)現(xiàn)“厚基礎(chǔ)、寬口徑”人才培養(yǎng)理念，北京科技大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)一直積極參與并引領(lǐng)國(guó)內(nèi)教學(xué)改革工作，不但授之以“魚(yú)”而且還授之以“漁”。基于扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)理論，針對(duì)各種材料成形技術(shù)，本專業(yè)設(shè)置了大量的限選課程，供學(xué)生根據(jù)自己的興趣專修某一類材料成形技術(shù)，授學(xué)生以“魚(yú)”。本專業(yè)的核心課程體系圍繞材料加工方法(包括固態(tài)成形、液態(tài)成形與連接成形)與材料組織性能之間的關(guān)系這一核心基礎(chǔ)內(nèi)涵開(kāi)展，授學(xué)生以“漁”。

本專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生具備“一專多能”特點(diǎn)?！耙粚！敝傅氖菍W(xué)生至少精通一種材料成形技術(shù)；“多能”是指由于學(xué)生具備扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)理論，在畢業(yè)后的工作和學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到其他材料成形技術(shù)時(shí)能夠掌握技術(shù)精髓，迅速進(jìn)入工作狀態(tài)。正是由于本專業(yè)的學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，受到國(guó)內(nèi)外著名大學(xué)的普遍歡迎，大部分學(xué)生選擇出國(guó)或在國(guó)內(nèi)深造。另一部分學(xué)生選擇就業(yè)，憑借“一專多能”技術(shù)能力，成為各個(gè)企事業(yè)單位的新寵，迅速成為單位的骨干，甚至成為部門或單位主要的負(fù)責(zé)人。

結(jié)束語(yǔ)

海闊憑魚(yú)躍，天高任鳥(niǎo)飛。北京科技大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)一直瞄準(zhǔn)國(guó)家重大需求，適時(shí)調(diào)整專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)與培養(yǎng)方案，并基于學(xué)科的優(yōu)勢(shì)地位積極開(kāi)展科研攻關(guān)，取得了豐碩的科研與教學(xué)成果?？蒲兴郊俺晒?、高層次人才培養(yǎng)等都處于國(guó)內(nèi)前列，并在國(guó)際上具有較大的影響，為促進(jìn)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防軍工等領(lǐng)域的重點(diǎn)基礎(chǔ)與支柱產(chǎn)業(yè)的科技進(jìn)步及快速發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。