清清白白做人,认认真真科教 ---材料科学与工程学院功勋教授张彦生
2019-7-16

 

张彦生(1932~),湖南益阳人。20世纪中国知名科学家、材料学家,Fe-Mn-Al无磁钢、低温钢、热强钢和功能合金理论的奠基者和开拓者。1953年毕业于湖南大学电机工程系。他提出探索新合金的科学试验新途径,即研究成分—组织结构与外层电子状态—性能之间的关系,结合合金设计思想对Fe-Mn-Al-Cr-Si-Ge系合金进行了基础理论、发展新合金的合金化规律与工艺技术等方面的创造性研究,开拓一个新结构合金与一个新功能合金领域。  

                

所研制的Fe-Mn-Al基无磁钢、低温钢、热强钢是世界上唯一获得工业规模应用的Fe-Mn-Al基合金。研制出了世界上第一个基于反铁磁性转变原理的g-Fe-Mn-Al-Cr精密电阻合金和基于反铁磁自旋有序产生的自发体积磁致伸缩平衡部分晶格振动热膨胀原理的Fe-Mn-Al-Cr系反铁磁定膨胀合金。首次阐明合金元素对Fe-Mn基合金腐蚀性能的作用及其钝化膜的结构与形成规律,为腐蚀金属学增添了新内容。

他对材料科学、固体物理和腐蚀金属学等方面的研究结果发表论文100篇,其中国内外著名学报发表论文70余篇。1978年获全国科学大会奖,1982年获国家自然科学三等奖,1988、1991和1993年分别获国家教委科学技术进步奖二等奖、三等奖和三等奖,2002年获中国高校科学技术奖(技术发明)二等奖等。1988被授予辽宁省有突出贡献专家称号,1991年获国务院政府特殊津贴,1992年被铁道部授予全国铁路优秀知识分子称号,1995年当选铁道部先进工作者。2015年入选20世纪中国知名科学家概览-化冶与材料工程卷(钱伟长总编)。

  

1. 填补空白,研制成功中国第一台电容式参数转换器及电子测量系统。

1953年初中国科学院金属研究所向中科院里申请要一名独立工作能力较强的电子学方面的大学毕业生。9月,张彦生到金属研究所报到,即安排到压力加工研究室工作。当时,压力加工室要建立中国第一台高速形变机与电子测应力应变系统,研究在高温高速下的金属变形。高速形变机的机械部分可按国外图纸制造,但无电子测应力—应变系统设备的图纸和资料,全部要白手起家研制,张彦生负责电子测量系统的研制工作。

在初步了解这套设备的要求和用途后,他认为这是要研制一种传感器再研制一套电子设备组合体,包括信号放大器、电子示波器、稳压器和自触发高速照相机等。这项研究在国内尚属空白。于是他从实际出发选择电容式参数转换器,并针对高速形变机的机械状态分别设计了测量应力与应变两种结构不同的电容式转换器。

历时三年半,研制成功中国第一台电容式参数转换器及电子测量系统。利用该设备研究了球墨铸铁、低碳钢在不同温度及速度形变的规律,以高速变形过程中形变硬化和动态回复相竞争的观点解释了球墨铸铁、低碳钢在不同温度—速度形变的应力—应变曲线的形状,阐明了金属高速形变的理论问题。

由于工作需要,从1955年开始张彦生持续自学金属压力加工原理、金属学、金属材料实验方法、金属物理等专著,为他转向材料研究打下了理论基础。

2. 审时度势,改行研究材料科学中的金属强度、相变、合金化原理和合金设计,强调以新思路探索研究过程中的创新点。

1958年至1966年,张彦生先后提出和主持了约10项科研课题,其中半数因工作调动、政治运动等原因半途而止。

(1) 1960-1961年,在业余时间研究体心立方金属的脆性问题。在汇集与分析体心立方金属的实验结果的基础上,开始探索这类金属对间隙杂质的容忍能力与其晶面间距大小的关系,提出体心立方金属的晶面间距越大其容忍间隙杂质的能力也越大,即韧脆转变温度越低,反之亦然的观点。写出《关于体心立方金属的脆性问题》的论文参加1961年全国金属物理学术会议,从近百篇论文中评出5篇优秀论文,该文评为5篇之首,受到学部委员余瑞璜和葛庭遂先生的高度关注。

(2) 降低Fe-Al合金脆性的研究。在Fe-10Al合金中加入少量的混合稀土,使其韧脆转变温度下降100℃左右。

(3) T34坦克离合器弹子盘延寿。改进与严格渗碳工艺,改善渗碳层组织以提高工件的耐磨性与接触疲劳强度,使弹子盘的平均统计寿命有显著提高。

(4) 1961年受ASTM 1960年刊上的一篇有关薄板断裂韧性KIC论文的启示,他认为这是材料断裂研究里程碑的工作,当即向室主任师昌绪先生提出开展这方面研究的计划。在国内首先提出断裂力学的实验研究,且与国外几乎同时或略早提出用三点弯曲法测定金属厚板KIC的设想,并设计和制造了一套弯曲夹具。还较早提出研究动态断裂韧性的概念,并建立了一些设备,如研制电子自动记录冲击功图像的冲击试验机,达到了基本可用程度,将冲击功图分解为弹性、塑性及撕裂功三部分,拟研究KIC与冲击功及撕裂功的关系。

但因工作条件差,进展慢,1964年—1965年脱产参加农村“四清”工作,1965年下半年又接受临时任务研究坦克弹子盘延寿问题,1966年文化大革命运动开始而终止。1983年师昌绪先生曾感叹地说张彦生进行这项研究比国内其它单位早7-8年,说明他对新生事物的敏感性。

3. Fe-Mn-Al无磁钢、低温钢、热强钢理论的奠基者和开拓者

1959年4月,张彦生开始对Fe-Mn-Al系奥氏体钢进行开拓性研究,系统研究Fe-Mn-Al系钢的成分—组织结构—性能之间关系,建立了奥氏体稳定区与成分关系的经验公式,确定了形成bMn相的成分、温度条件,相变的机制与相变动力学等,初步奠定了Fe-Mn-Al系钢的理论基础。

但因研究方向转变,Fe-Mn-Al钢的研究于1963年中止。后因中国Ni与Cr特别是Cr的极度匮乏,严重影响军、民工业的生存,研究和发展不含或节约Ni、Cr的新奥氏体钢系以部分代替Cr-Ni奥氏体钢,成为中国急于解决的重要课题。Fe-Mn-Al系钢受到国家主管部门的高度重视。

1969年9月,由冶金工业部牵头,召开冶金、机械、化工与石油四部联会,张彦生作为特邀代表出席联会。会议宗旨为迅速开展无Ni、Cr与节Ni、Cr高合金钢的研究、试制、生产与应用。他接受了研制并工业试生产与应用Fe-Mn基无磁钢、低温钢、热强钢的任务。

1959-1963年研究工作的基础上,张彦生进一步系统研究了Fe-Mn-Al-Cr-Si系合金的成分—组织结构—性能之间关系的规律,建立奥氏体稳定区与成分的经验解析方程;在Fe-Mn-Al-Cr系合金中,建立了g®e相变点与合金成分关系的经验公式和形变a马氏体量与成分、形变温度及形变量间定量的经验关系;研究高温时效沉淀相V4C3M6C与AB2的鉴定与析出的温度、时间动力学及各沉淀相对强度的贡献及机理等。根据合金化的原理,以V4C3层错沉淀与Mo、W固溶强化来提高室温至高温的强度。

在研制新合金时,非平衡态合金相图有更实用和更直接的参考或指导价值。在测定大量数据的基础上,建立了Fe-Mn-Al-Cr四元系非平衡相图(为便利制图将Cr含量换算成Al当量)。依据上述各类研究的结果,提出了Fe-Mn-Al系奥氏体钢的合金化规律与合金设计方法,奠定了Fe-Mn-Al系奥氏体钢的金属学基础,发展出Fe-Mn-Al基无磁钢、低温钢与热强钢。

1970年至1978年陆续开展超低温钢、无磁钢与热强钢的成分、组织结构、理化性能和冶炼、热、冷加工与机械制造等工艺性能方面的研究并进行工业试生产与试用。Fe-Mn-Al基无磁钢、低温钢、热强钢采用电弧炉氧化法冶炼,可以应用低廉原料如生铁、二等废钢和一般铁合金而多数Ni-Cr不锈钢与热强钢采用电弧炉装入法冶炼,需要加入精制原材料很多合金的试生产都是从实验室感应炉20公斤左右/炉小锭到电弧炉6-20吨/炉一次试炼成功,铸锭最大5.5吨。其中Fe-Mn-Al无磁钢自80年代初始已成百吨用于我国7家工厂的大型变压器与磁选机隔磁部件的制造,经济社会效益良好。

所发明的Fe-Mn-Al系无磁钢性能优良,获国家发明专利授权(89104759.x),可用于制造大型电力变压器、磁选机、起重机电磁铁中的无磁结构件。据查新,Fe-Mn-Al-Cr超低温无磁钢是目前世界上性能最优异的超低温无磁钢,在4K极低温具有优越的韧性,组织结构稳定性和无磁性。Fe-Mn-Al-Cr系热强钢的综合高温强度不亚于美国Fe-Ni基高温合金GH132(A-286),以这种Fe-Mn-Al-Cr基合金所造增压器涡轮叶片在海船上运行两年多(净工作3400余小时)无故障。

由于张彦生等在Fe-Mn-Al热强钢、低温钢、无磁钢研究中的杰出成就,其成果获1978年全国科学大会奖和1982年国家自然科学三等奖。“铁锰铝铬系合金的物理性能与无磁钢及低温钢的设计”和“Fe-Mn-Al-Cr 系奥氏体热强钢的合金化与组织结构设计的研究”分别于1990和1993年获国家教委科学技术进步奖三等奖。美国、日本、韩国和中国台湾省等尽管也研究Fe-Mn-Al基合金,但都没有获得实际应用。张彦生研制的Fe-Mn基无磁钢、低温钢、热强钢是世界上唯一获得工业规模应用的Fe-Mn-Al基合金,对丰富材料科学知识宝库作出了重要贡献。

 

4. Fe-Mn-Al合金不是穷人不锈钢

长期以来,不锈钢的成分主要为Fe-Cr-Ni系,为节约Ni、Cr,国外在50年代至80年代之间曾研究Fe-Mn-Al系奥氏体钢的抗氧化性能并提出发展Poor Man’s Stainless Steel Fe-Mn-Al的设想与初步研制。张彦生于1959年开始研究Fe-Mn-Al合金时用简单但有说服力的实验认定Fe-Mn-Al系奥氏体合金不能成为无Cr、Ni的穷人不锈钢。因此,他从未涉足这类研究。

张彦生系统研究了Mn、Al、Cr、Si元素对Fe-Mn-Al奥氏体钢在空气700℃中氧化动力学过程的影响。Mn严重降低抗氧化性能,Al、Cr与Si则提高抗氧化性能,随着Mn的减少,增加Al或Al与少量Cr、Si复合加入,其氧化的动力学方程由DW2=Kt→DW3=Kt→ DW =Klog(at+1)转变,接近1Cr13的抗氧化性能。他还对Fe-Mn、Fe-Mn-Al、Fe-Mn-Al-Cr合金进行11年的露天与室内大气腐蚀实验,Mn损害大气腐蚀抗力,Al提高其抗力,Al与Cr复合加入的效果更好,接近1Cr13的水平。为给设计抗腐蚀性能较好的Fe-Mn基功能合金与超低温无磁钢等提供设计参数,他采用电化学阳极极化、常温与98℃浸泡及XPS与AES表面分析等技术较深入系统地研究了合金元素对Fe-Mn基合金在pH值-0.8~15的水溶液中的电化学腐蚀性能与钝化膜结构的影响。Al、Cr或Si提高耐蚀性,Al与Cr或Al、Cr、Si复合加入,效果更好,Mn则降低耐蚀性。在Al、Cr、Si与Mn优化组合的条件下,可获得在50% HNO31 mol l-1 Na2SO4溶液中电化学腐蚀抗力优于1Cr13不锈钢的Fe-Mn基奥氏体合金。钝化膜由Al2O3Cr2O3Fe2O3FeO、Mn2O3MnO2MnO、氢氧化物与结合水等组成,Al2O3Cr2O3、氢氧化物与结合水构成钝化膜中的有效保护层,而Mn的氧化物则破坏钝化膜的稳定性。在国际上首次阐明合金元素对Fe-Mn基合金腐蚀性能的作用及其钝化膜的结构与形成规律。他的基础工作揭示Fe-Mn-Al合金不是穷人不锈钢,但可作为具有一定抗蚀性能的结构钢,根据合金化抗腐蚀的原理,他提出了以Al、Cr、Si少量多元复合来提高Fe-Mn-Al抗腐蚀性能的有效措施。还研究出阳极时效处理Fe-Mn-Al系合金以提高其耐蚀性的方法。例如合金在适当电位与时效时间于50%HNO31mol L-1Na2SO4溶液中阳极钝化处理后,较明显地提高此合金的耐蚀性能。经大量XPS与AES的表面研究说明这是由于表面钝化层中Al2O3Cr2O3富集而Fe与Mn的氧化物贫化的结果。50%HNO3处理的效果较优。丰富和发展了Fe-Mn-Al合金的腐蚀金属学。

5. 探索Fe-Mn-Al功能合金的奥秘和Fe-Mn-Al功能合金的发明者

早在1964年,张彦生就从Fe-Mn-Al合金的弹性模量曲线中注意到在某一温度附近呈现弹性模量反常,刚开始时他以为是实验有误,但多次试验仍观察到这一反常变化,他敏感地意识到这是合金的物理现象。通过一系列的实验证明这是合金的反铁磁性转变所导致的弹性反常,反铁磁性转变还导致诸如磁化率、电阻率、热膨胀率等物理性能的反常。他认为通过反铁磁性转变所导致的物理性能反常是设计功能合金的重要基础,由此可发展新型电阻合金、定膨胀合金和恒弹性合金等。自上世纪70年代末年始,他独辟蹊径,研究具有s、p外层电子的非过渡族元素Al、Si与Ge及反铁磁性元素Cr对g-Fe-Mn基合金的反铁磁性转变与伴随的物理性能(如磁化率、电阻率、热膨胀率、弹性模量、电阻应变灵敏系数等)随温度的反常变化行为影响的规律及类Kondo效应。

根据这些实验结果,提出富有创新性的科学假设:(1) Al、Si及Ge的价电子与基体合金d能带交迭,促进或增大Fe-Mn基合金离子的局域净磁矩,并使合金由ISDW态转变为CSDW态;(2) 增加Al、Si及Ge含量将减弱Fe-Mn基合金反铁磁性的巡游电子特性。它们已初步为Fe-Mn-Al(Si、Ge)合金的Mössbauer谱研究所证实。这些研究结果不仅给反铁磁转变、类Kondo效应的理论研究提供新的实验基础与启示,促进这些理论的发展,也为开拓一个世界上尚未见报道的g-Fe-Mn-Al-Cr-Si系功能合金新领域奠定了理论基础。

根据上述原理,他提出设计Fe-Mn基新功能合金的参数、程序与方法。利用Al增大反铁磁散射电阻率来抵消声子散射电阻随温度的下降,研制出世界上第一个基于反铁磁性转变原理的g-Fe-Mn-Al-Cr精密电阻合金。还发现一种Fe-Mn-Al合金4K~700K的宽广温度范围电阻率变化很小,电阻温度系数趋于零,而它的电阻率高到170mW∙cm,其物理图像值得深入研究。

他又利用合金的反铁磁自旋有序产生的自发体积磁致伸缩平衡部分晶格振动热膨胀的原理,研制出世界上第一个Fe-Mn-Al-Cr系反铁磁定膨胀合金,它与铁素体钢有优良的热膨胀匹配,且磁导率极低,并有良好的组织稳定性、耐蚀性、力学性能和工艺性能,该合金适用于与玻璃、陶瓷及铁素体钢相封接或作为热膨胀匹配精密元件。

他还发明g-Fe-Mn-Al-Cr-Si系应变电阻合金和恒弹性合金。另外,他还研究了Fe-Mn-Si形状记忆合金(SMA)的反铁磁性转变与g®e相变及形状记忆效应(SME)之间的关系,指出在设计Fe-Mn-Si基SMA时,将反铁磁转变温度TN控制在略高于Ms点之上的温度是获得最佳SME的重要条件之一。利用X-ray衍射与合金热力学研究合金元素对g®e相变和层错能及反铁磁转变引起的磁自由能变化的影响,进行初步解释。上述工作开拓了一个Fe-Mn-Al-Cr-Si系合金的反铁磁性转变与新功能合金研究的新领域。

“Al、Si、Cr对g-Fe-Mn合金顺磁-反铁磁性转变的影响与新功能合金的探索”于1988年获国家教委科学技术进步奖二等奖。g-Fe-Mn-Al-Cr精密电阻合金于1990年获得国家发明专利授权(87105055.2)。定膨胀合金成功地用于制造速率陀螺仪的核心部件转子,攻克长期未解决的材料难关,并大批量地应用于我国两种先进高空高速飞机的自动驾驶仪,提高了飞行性能,经历11年实用考核,获我国航空工业上陀螺仪的空前的100%优质状态。这一成果1997年通过辽宁省科委组织的科技成果鉴定,认为达到国际领先水平,该成果1998年荣获大连市科技进步奖一等奖,2001年获中国高校技术发明二等奖。

6. 氧化物高温超导体研究的探索者

1986年,全世界掀起一股高温超导体研究热潮,继中国科学院物理所、金属研究所等主要科研单位获得液氮温区超导体后不久,张彦生领导的团队于1987年4月采用较简单的工艺也获得了T=92K的高温超导体YBa2Cu3O9-x,是当时国内较早获得高T高温超导体的研究组之一。中央电视台2套节目、辽宁电视台等都做了报道。

此后,张彦生系统研究了YBa2Cu3O9-xBi-Sr-Ca-Cu-O超导体氧含量、晶格畸变和超导电性的关系及环境因素的影响。结果表明:Y-Ba-Cu-O系超导体的氧含量和晶格畸变对超导电性具有重要影响,在超导体的烧结或等温时效过程中,伴随着氧的吸收Û释放,氧含量增加Û减少,Y-Ba-Cu-O的晶体结构由正方(~800℃—950℃)Û正交2(~550℃—750℃)Û正交1(~20℃—500℃)转变,Y-Ba-Cu-O氧化物相应发生半导体Û常规导体Û超导体转变。Bi-Sr-Ca-Cu系在800-880℃间存在氧的吸收和释放,快冷有利于低T相的形成,缓冷有利于高Tc相的形成;快冷很难形成高T相。Y-Ba-Cu-O与水或吸附于其表面的水膜反应,产生水解,分解出Ba(OH)2CuO和Y2O3Ba(OH)2吸收空气中的CO2生成BaCO3。温度升高,水解速度加快。当环境因素温度≥373K时,水蒸气分子对Y-Ba-Cu-O的结构稳定性和超导电性无任何影响。Y-Ba-Cu-O试样在氨气气氛中不会很快失超。在20%CO2+80%O2气氛中,温度<250℃时,CO2Y-Ba-Cu-O基本上无影响;温度≥430℃时,CO2使得Y-Ba-Cu-O的结构和超导电性都破坏。Y-Ba-Cu-O在水、水蒸气、CO2等介质中的分解与介质分子的极性大小无关。这些研究结果在当时对超导研究具有较重要的参考价值。

7.呕心沥血,培养青年人才硕果累累

张彦生自1980年就开始在金属研究所指导研究生,1985年由金属研究所调入大连铁道学院工作后,人才培养成了他更重要的工作。他喜欢与年青人一起工作和交流,他说“和年青人在一起交流,我就感到心情舒畅”。他经常利用散步时间和外出出差的机会与年青人谈工作,谈人生,谈理想,抒发自己的感情,将他在教学、科研的感受和经验毫无保留地传给年青人。他用亲身经历告诫年青人今天的好时光来之不易,他说粉碎“四人帮”是他有生以来最高兴的事情,科技工作者才真正拥有科学的春天。

他用一颗爱心,倍加爱护年青人,以慈父般的胸怀关心年青人的成长,为每个年青人制定一个成长计划。知寒问暖,如出差回来赶不上晚饭,他总是将大家请到他家去,对需时较长时间的实验,他总是将午饭或晚饭准备好,等做完实验后将大家请到他家去吃饭。他把阅读《居里夫人传》作为年青人必读的书目,他经常勉励身边的年青人要学习居里夫人努力攀登科学高峰与为科学献身的精神和爱国主义精神。与张彦生在一起,就能感受到他那情怀爱国之心,胸怀报国之志的理想,感受到他那无时无刻不把自己的理想、事业与民族的兴衰、国家的昌盛、科技的进步紧密联系在一起的人生追求。在他的感召下,年青人受到了教育,极大地增强了责任感和使命感,精神上就感到很充实,自觉地把自己的命运与国家、民族的命运紧密联系在一起,树立“热爱祖国、献身科学与教育”的正确人生观。

“清清白白做人,认认真真科教”是张彦生的座右铭,他是这样说的,也是这样做的。他的科研、教学工作十分繁重,且患有心律紊乱、神经衰弱与胃炎,长期以来一直带病工作。但为了上好一门课,有时哪怕只是为了作一个讲座,他都首先查阅大量的文献资料,认真备课。他为人师表,率先垂范,教书又育人。

他非常重视素质教育,认为青年教师或青年学生应具备扎实的基础知识,广阔的知识面和较强的动手、思考问题、解决问题、获取知识的能力,要有良好的心理素质和应变能力,在实践中他尝试着进行启发式教学。他白天忙于实验,晚上参阅文献资料、处理实验数据、撰写研究论文、修改论文等,经常工作到深夜,几乎所有工休日和节假日也都是他的工作日。

他曾作一首风趣的诗:“人生一半梦中荒,孤灯子夜写华章”。他在62岁时还在钻研电化学和表面科学的知识,表现出“活到老、学到老”的孜孜不倦精神。张彦生认为,“三严”(严格、严密、严肃)是科学工作者的基本素质之一。他对他的学生要求很严,但在心底里面默默地爱着他们。他经常鼓励年青人创新,在思考问题时要大胆假设,在工作时要精心求证。实验数据是科学论文与科研成果的基础,在实验过程中,实验数据要准确无误,要有重复性,经得起时间的考验。他常说“人生、工作、成就都不能成五彩的肥皂泡,要经得起时间、生活的考验”。

他十分尊重年青教师和研究生的科研成果和学术见解,他常说:“科技的发展是青出于蓝而胜于篮,这是客观规律。当老师的责任就是培养好年青人,鼓励他们超过自己”。他大胆地给年青教师压担子,放手让他们独立承担具体的项目。当年青人有一定实力后,就鼓励他们要勇于超过自己。当年青人在他的指点下取得成果,怀着敬意在待发表论文稿前暑上他的名字时,他常常用笔将之圈上,将他的名字置于最后一名。 

张彦生在生活、科研、教学中所表现出来的“先天下之忧而忧,后天下之乐而乐”和“一身正气,两袖清风”的高尚品德,极大地感染了他身边的年青教师和研究生,大家都被他高尚的人格所吸引。正是张彦生这种温暖,使得他身边的青年教师在经济大潮的冲击下,仍留恋且坚守这个“穷家”,安心工作。他所培养的学生,都在事业上茁壮成才,桃李遍天下。在他身边工作的年青教师都在较短的时间内晋升教授,成为学术骨干。

 

 
 
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