八十年代金属材料科研动向探讨

D0I:10.13374/j.issm1001-053x.1982.01.017 北京钢铁学院学报 1982年第1期 fm.o.o 5m30m0 学 术 动 态 八十年代金属材料科研动向探讨 材料系陈国夏 1979年9月一1931年9月，我与谢锡善同志作为访问学者在美国哥伦比亚大学工作，学习 两年。在此期间，我们除在纽约哥大从事科学研究外，还尽可能多地去一些工厂、学校和 研究机关参观学习，并参加了一些有关的学术会议。这些使我们对美国金属材料科学研究情 况，以及当前在这个领域里科研动向的来龙去脉有了一些具体的了解。本文拟就我们观察到 的情况，结合一些文献资料，从技术预测的角度来研究一下八十年代金属材料的科研动向。 金属材料发展与新技术新工艺研究 在具体阐明八十年代金属材料的科研动向之前，有必要研究一下金属材料发展与新技 术、新工艺研究关系。 正如新技术对生产有很大的推动作用一样，引入新技术新工艺也极大地推动金属材料的 发展。表现为材料质趾提高，产量增加或者材料生产的成本降低。就这种推动作用来说，它与 该新技术的发展和使用时间有关。开始很长一段时间里，这种推动作用并不很明显，随后将 进入一个迅速增长的时期，接着将逐步过渡到饱和状态，就是适合这种新技术的条件已得到 较充分的利用，或者伴随新技术发展而来的新问题新困难的增加，这种推动作用愈来愈小， 表现为产量增长速率愈来愈小，或者质量不再改善。这一过程就是新技术的引进，发展与更 换过程。可以用图1表示。 有人设想这个过程与金属材料科学中相变的形核长大过程相似，因此有理由假设可以用 产增加 肌 平 改 T 年代() 纸代(：) () (b) 图！ 198

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 牛瓜众 、瓜辛 学 哈丫丫丫古 哗瓜瓜瓜辛 术 分、 丫、 口丫古 牟瓜瓜瓜辛 个瓜瓜瓜辛 动 态 哈勺丫、 口、 宁少 哈丫丫丫寺 八十年代金属材料科研动向探讨 材 料 系 陈 国夏 年 月一 年 月 ， 我 与谢 锡善同志 作为访 问学者 在 美 国哥 伦 比亚 及学工 作 ， 学 习 两 年 。 在 此 期间 ， 我们 除在 纽 约哥大 从事科学研究外 ， 还 尽可 能 多地 去一 些工厂 、 学校和 研 究 机关 参 观学 习 ， 并 参加 了一 些 有关 的学术会议 。 这 些使我们 对美国金属材 料科学 研究 青 况 ， 以 及 当前在 这 个领域 里 科 研 动 向 的 来龙 去脉 有 了一 些具 体 的 了解 。 本文 拟就 我们 观察 的情 况 ， 结 合一 些文 献 资料 ，气 从技术 预 测 的 角度 来研究一下 八十年代 金属材料 的科研 动 向 。 金 属材料 发展 与新技 术新 工 艺研 究 在 具体 阐 明八十年代金属 材料的 科研 动 向之 前 ， 有 必要 研究 一 下 金属 材料发展 与新技 术 、 新 工 艺研 究关 系 。 正 如 新 技 术对生 产有很 大 的推 动 作用一 样 ， 引入 新 术新工 艺也极大 地 推 动 金属 材 抖的 发展 。 表现 为材料质 量提 高 ， 产 量增加 或者材 料生产 的成 本 降低 。 就这种 推动 作用 来说 ， ‘ 已与 该 新技术 的发展 和 使用 时 间 有关 。 开 始很长一段时 间里 ， 这 种 推动 作用 并 不 很明显 ， 随 后将 进 入一 个迅速 增 长 的时 期 ， 接 着将逐 步过渡 到饱 和状 态 ， 就 是适 合这种 新技术 的 条件 已得到 较充 分 的利用 ， 或者伴 随新 技 术发展 而来 的新 问题 新 困难 的增加 ， 这种推 动作用 愈 来愈小 ， 表 现 为产 量增 长速率 愈来 愈小 ， 或者质 量 不 再改 善 。 这一 过 程 就 是新 技术 的 引进 ， 发 展 与更 换过程 。 可 以 用 图 表示 。 有人设 想这个过 程 与金属材 料科学 中相 变的形 核长大过 程相 似 ， 因此 有理 由假设可 以 用 产里加增 积乃累产盆心 质或改量差 一丫一‘ 工 吕 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．01．017

类似的Joh nso n-Meh1公式来描述这一过程： T=1-Kexp-(-) 这： T一量或质量指标（以达到最大值的分数表示） 一一年代或时间 t一常数 K一常数 如果知道常数K和τ值，就可以计算出拐点t。的位置，即推动作用达到頂点时的年代，由此 可知该新技术的可利用周期。实际上，T,K常数是未知数，无法从理论上推导出来，但是 可以根据新技术引进后的实际数据，用上述公式统计地求出。 t。值'a值成比例，T值愈小，t也愈小，就是说达到饱和的时间恋短。一般来说，如 果能及早地佔计出(。值，就有利于及时地抓住发展生产的正确方向。在新技术的推动作用 正在迅速上升时两，应该进一步研究和发展这种新技术。当新技术的推动作用已趋于饱和时 ,要做仔细的分析，如果是由于某种因素阻碍发挥它的作用，就要去解决它，如果确实 是巴没了系件发挥作用了，就应该及时引进更好的技术即走别的路子。图2定性地反映了 能否及时抓新技术对生产的影响。 以温合金为例来分析新技术对发展高温合金的作用。图3指出高温合金使用温度（规 定为1000小时持久强度达15,4公斤/平方毫米的温度)与出现该合金的年份之间的关系·图 Ni生产 At:>△t>Jt, 图2 3出，高温合金的发展是与重大新技术 破斯强度 的引入密切相关的。对某种固定的生产技 22,000P5i 9MA6000E 术来说，年代一使用温度关系，曲线的形 1100 100小0 定向结品、 6 式和图16一致。每引入一种新生产技术， 温 g'-8 度 1N-100 B-1900/o/DS-M200+HF 高温合金的使用温度就被提高一·大步，五 ℃1000 60 713C Ren'e 80 IN793 -十年代以前是普通的大气冶炼技术，1952 (铸造) U-700 真空治炼 年开始采用真空冶炼技术，以后又采用 300 (得造) 造高温合金做涡轮叶片，进而采用定向 WASPALOY M252 皮术，包活定向结晶，单晶叶片等，这些 800 NiMo NiC804 NiMoNiC80一非真空治炼 都大大提高了叶片合金的使用温度。采用 I940 1950 1960 1970 1980 1990 粉米治金技术和机械合金化等都大大改善 发展年代 了合金的质绿。根据图3的曲线，可以估 图3、 涡轮叶片材料近40年的发晨 计出上式的π和K, 大气冶炼变形合金t=10.0,K=2.2相关系数R=0.98 199

类似 的 一 公式 来描述这一过程 ‘一 一 ‘士 ， 这 卜几 ‘ 一 沉 量 或质 量 扮标 以 达到 最大值 的分数 表示 ， 一年 丈戈时 问 下 一 常数 一 常数 如 果知道常数 和 值 ， 就可 以 计 算 出拐点 。 的位 置 ， 即推 动作用 达到填点 时 的年代 ， 由此 可 知该 新 伎 长的可 利 用 周 期 。 实 际 上 ， ， 常 数 是 未知数 ， 无 法 从理 论 上推导 出来 ， 但 是 可 以 根 据 新 皮术 引进 后 的实际数据 ， 用 上述 公式 统计地求 出 。 。 位 ’ 。 值成 比 例 ， 值 愈 小 ， 。 也 愈小 ， 就是 说达 到饱 和 的时 间 愈短 。 一 般 来说 ， 如 果能 及 早 地 估计 出 。 值 ， 就 有利 于 及时 地 抓住 发展生 产 的 正 确方 向 。 在 新 技 术 的 推动 作用 正 在迅 速 上升时 期 ， 应 该进一 步研究和 发展 这种新 技术 。 当新 技术 的推 动 作用 已趋 于 饱 和 时 期 ， 代要 社交仔 细 的 分析 ， 如果 是 由于 某种 因素 阻碍发挥 它的 作 用 ， 就要 去解决 它 ， 如 果 确实 是 已 经 没 汀条 汁发挥 作 用 了 ， 就应 该 及 时 引进 更 好 的技 术即 走别 的路 子 。 图 定性地反映 了 能 否 及时 抓新 技术对生 产 的影 响 。 以 商温 合 金 为例来分析新 伎 术对发展 高温 合 金 的作用 。 图 指 出 高温 合 金 使用温度 规 定为 小 时持久 强 度达 公斤 平 方毫米的温度 与出现该 合金 的年份 之 间 的关系 · 图 川 刀 八 一 拜 峨化止 ﹄ 一 △ 一门八 卜， 八 △ 八 图 引“ 爪 匹刁 △卜 卜一 衍 出 ， 荡温 合 金 的发展 是 与重大新 技 术 的 引入 密切 相关 的 。 对 某种 固定 的生 产技 术来 说 ， 年 代一 使 用温 度关系 ， 曲线 的形 式 和 图 一 致 。 每 引入 一种新生 产 伎 术 ， 高温 合 金 的使 用温度 就被提高一大 步 ， 五 十 年代 以 前是 普通 的大气 冶炼技术 ， 年开 始采用 六 空 冶炼技 术 ， 以 后 又 采 用 铸造 岛温 合金 做 涡 轮叶片 ， 进 而采用定 向 找 术 ， 包活 定向 结 晶 ， 单 晶叶片 等 ， 这 些 都大大提高 了叶片 合 金的使用 温度 。 采 用 粉末 冶 北技 术和 机械 合金 化等都大 大 改善 了 合金 的质 量 。 根 据 图 的 曲线 ， 可 以 估 计 出 上式 ，的 和 值 ， 人 气 冶炼 变形 合 金 丫 二 川 ， 破断强 度 ， 、 时 定向结品 一 又 一 丫夕价 “ ‘ 。 。 。 丫 ‘ 一 “ 丝劣 一 ” ’ 。 。 亡 ， 铸造〕 而 宾空冶练 温度℃ 一 石 宁夺造 工 ， 斋簇诀誓孕械 ‘“ 炼 甘 甘 已甘才 ‘月卫护 卜备 发展年代 涡 轮叶 片材 料 近 拍 年 的 发展 如卜图仁之 相关 系数

冀空冶炼变形合金T=6.9,K=2.2R=0.99 真空冶炼铸造合金t=4.9,K=4.8R=0.98 这说明，近年来，一种新技术的推动作用愈来愈容易达到饱和了·目前，大约只有5年左 右。这种现象说明高温合金是一个很活跃的材料领域，同时又说明现代科学技术给新材料的 发展开辟了广阔的活动范围。· 其实，研究一个重大新技术是要花费很长时间的，决不会只有5年。从美国的情况来 看，一个重大的新技术或者一个完全新的合金系统，从提出到投入使用大约要15年左右·工 如，定向结晶技术约花费17年左右，单晶叶片为20年左右，机械合金化已经研究15年了，国 际镍公司去年5月才开了一个全面推广的会议，还要过几年才会有正式使用的结论。应该指 出，一些老钢种的改型研究，花费时间短些，但也要4一5年左右。美国特殊钢公司(SMC) 把U-700合金改为U-720(高硼低炭U-700合金)，只花费2年时间，这是一个速度最快 的典型。总之，为了能在五年左右出现一种新工艺，必然在前十年期间，就有许多新工艺在 被研究着，这些新工艺都是从不同的角度去发展新材料。这正是近代材料研究的特点之一， 即材料研究的多样化。下面还要具体谈到这一特点。 既然新技术的引入对材料发展有着重大的作用，这就要求从管理上建立有利于实现它的 办法。既要大胆又要谨惧地支持这类探索。开始的时候是有一个设想，它有一定的根据，但 这种根据又往往是不足的、为了确定是否有较大的利益和可能性，需要有一个探素阶段，成 功的话，就可以正式列题展开来做实验室研究，以后进入试生产或推广应用，最后才正式投 产。在正式投产以前都是花钱的，正式投产以后才会得到利润，而利润的数目总会超过已用 去的经费。这种关系可以由图4表示： 以国际镍公司(IncoNickel)研制机械合金化 为例，15年前开始研制，一直是赔线的，目前处于正 式推广使用阶段，请世界各个国家的有关工厂来参 进入商业阶段 加，计划把目前的每年产值100万美元扩大到1983 年的1亿美元。为了达到这一要求，他们极力扩大5 该类合金的使用范围，同时改善工艺以大幅度降低 探！实验室I试生产 成本。拿美国通用电气公司(GE)研制定向共晶 高温材料来说，据估计研制费用要约1500万美元， 年 但是一且投入正式使用，以500个亚音速运输队 因4 (航程3000海里，180人载荷因素55%)来计算利 润，估计为9000万美元。用同样方法计算陶瓷叶片的好处为2亿美元之多。但是也有失败的例 子，TDNi曾经研究了多年，花了很多钱，现在基本上停了，没有能大量推广使用。总之， 对待这种性质的工作，无论在开题的时候或在研制过程的各个阶段，都要保持情醒的头脑。 预计到可能出现的新情况，决定正确的工作步骤。以美国的实际情况来看，不同的公司以 同的处理办法来对待这种性质的工作。对于大公司来讲，有能力，有必要展开这项工作。例 如国际镍公司主攻机械合金化，通用电气公司主攻定向共晶，而PWA公司主攻定向结品和 单晶叶片。国际镍公司专门拨一部分经费供研究人员作自己想做的任何探索性的工作。允许 用10%的时间去做这些探素性的工作而不需要任何人批准，也不必让任何人知道。如果探索 成功，就可以正式写报告开题进行实验室研究（这要经过批准才行），如果探索失败，你就'1已 一笔勾去，无人知道你的失败。这些公司认为这种做法有利于出现创造性的新东西。对于一 200

真空冶炼变形合金 二 ， ” 真 空冶炼铸造合金 ， 这说 明 ， 近年来 ， 一种新技 术的推 动作用 愈来愈容易达 到饱和了 · 目前 ， 大约只 有 年左 右 。 这种现 象说 明高温 合 金是一 个很活 跃 的材料领域 ， 同时又 说 明现 代 科学 技 术给新 材料的 发展 开辟 了广 阔的活动 范围 。 其实 ， 研 究一 个重大新技 术是要 花费很长时 间的 ， 决不 会只 有 年 。 从 美国的 清况来 看 ， 一 个重大 的新技 术或者一 个完 全新 的合 金系统 ， 从提 出到投入使用 大约要 年左右 · 工 如 ， 定 向结 晶技 术约 花费 年左右 ， 单 晶叶片为 年左右 ， 机械合金 化 已经 研究 年 了 ， 国 际镍 公 司去年 月才开 了一 个全面推广 的 会议 ， 还 要过几 年才 会有正式 使用 的结 论 。 应 该 指 出 ， 一 些老 钢种 的改型研 究 ， 花费时 间短 些 ， 但也要 一 年左右 。 美 国特 殊钢 公 司 把 一 合金改 为 一 高硼低 炭 一 合 金 ， 只 花费 年时 间 ， 这 是一 个速度 最 快 的典型 。 总之 ， 为了能在五年左右 出现一种 新 工艺 ， 必 然在前十年期 间 ， 就 有许 多新 工 艺在 被研究 着 ， 这些新 工 艺都是从不 同的角度去发展新材料 。 这正 是近 代材料研究 的特点之一 ， 即材料研 究 的多样化 。 下 面还要具体谈到这一 特点 。 既然新 技 术 的 引入 对材料发展 有着重 大的作用 ， 这就要求从管理 上建立 有利于 实现 它的 办法 。 既要大胆又要 谨俱地支持这 类探 索 。 开 始的时候是有一个设 想 ， 它 有一 定 的根 据 ， 但 这种根据又 往往 是 不 足 的 、 为 了确定是 否有较大的利益 和 可 能性 ， 需要 有一 个探索 阶段 ， 成 功 的话 ， 就可 以 正式 列 题 展开来 做实验室研 究 ， 以后 进入 试生产 或推 广应 用 ， 最后 才正 式投 产 。 在正式 投产 以 前都是花钱 的 ， 正 式投产 以 后才会得 到利 润 ， 而利 润的数 目总会超 过 已用 去的经费 。 这种关系可 以 由图 表示 以 国际镍公司 研 制机械合金 化 为例 ， 年前开 始研制 ， 一直是赔钱 的 ， 目前处于正 式 推广使用 阶段 ， 请 世 界 各个 国家的有关工厂 来参 加 ， 计划把 目前的每 年产 值 万美元 扩大到 年的 亿美元 。 为了达 到这一要求 ， 他们极 力扩大 该 类合 金的使用 范围 ， 同时改善工艺以大幅度降低 成 本 。 拿美国通用 电气 公司 研制 定 向共晶 进入 商业阶段 乒 丫 斗 卜 亲 实验刹 试生 产 高温 材 料来说 ， 据 估计研制 费用要 约 万美元 ， 年 但 是 一 且投入 正 式 使用 ， 以 个亚音速运输队 图 肮程 。 海里 ， 人 载荷 因素 来计算利 润 ， 估 计为 。万美元 。 用 同样方 法计算 陶瓷叶片的好 处为 亿美 元之 多 。 但 是 也有失败 的例 子 ， 曾经 研究 了多年 ， 花 了很 多钱 ， 现在基本 上停了 ， 没 有能大量推广使 用 。 总之 ， 对待这种性质的工 作 ， 无 论在开题 的时候或在研制过 程 的 各个阶段 ， 都要 保持 倩醒的 头脑 。 预 计到可 能 出现 的新 情 况 ， 决 定正 确的工作 步骤 。 以 美国的实际情 况来看 ， 不同 的公 司 以 石 同 的处理办 法来对待这 种性质 的工作 。 对 于大 公 司来讲 ， 有能 力 ， 有必 要展 开这 项 工 作 。 例 如 国 际镍公司主 攻机械合金 化 ， 通用 电气公 司主 攻 定 向共 晶 ， 而 公 司主 攻 定向 结 晶 和 单晶 叶片 。 国际镍 公 司专门拨一 部分经 费供 研究人 员作 自己想 做的 任何探索性的 工作 。 允 许 用 的时 间去做 这 些探索性 的工作 而不 需要 任何人 批 准 ， 也 不必 让任何人 知道 。 如 果 探 索 成功 ， 就 可 以 正式 写报告开题进 行实验室研 究 这 要经过 批 准才行 ， 如果 探 索失败 ， 你就 自己 一 笔勾 去 ， 无人 知道你的 失败 。 这些 公 司认为这种做法有利 于 出现创造性的 新 东 西 。 对 于一

个中小型公司来说，往往采取不同的做法，很少做这种重大新技术工作，比较顾意做密切结 合生产需要的中小课题，一般是时间短，见效快，经费少的中小课题，例如美国JL钢厂的 工艺研究课题有以下几个：用计算机控制脱氧速度。用400℃热煤直接入焦化炉，使焦化时 间缩短8-12小时，焦碳强度提高6-7%。此外还有关于Ladle:炉，AOD炉的工艺研究等。中 小工厂对于一些较理论性的课题也是感兴趣的，通常采用的办法是与大学合作。 大中小公司都十分重视与大学合作。事实上，许多新技术的开始阶段都是在学校搞的， 例如急冷技术的权威是MJT的Gran ta教授，现在PWA公司进行工业性的研究应用。再如，机 械合金化是RPI学校先搞的。目前开始的节约战略元紫的预研究阶段也是由哥伦比亚大学负 责的。看来，这是一种很好的挂钩方式，是解决工厂下一个十年的发展方向这样重大的问题 的。对于一些非常具体的工艺问题，多半是工厂自己做，但为了在更高的水平上去解决生产 中的问题，工厂往往顾意出钱与学校合作，由学校做更系统和更理论的工作。应该强调指 出，这种题目都是有生产需要的背景的，但又不是就率论事的做法，而且从更广更深的角度 去做。这种做法是基于这样一种认识，即一个新技术的出现是建立在生产需要和科学进展的基 础上的，生产发展的需要是推动一项新技术出现的动力，科学的进展是新技术出现的学术准 备，据估计，产生新技术的思路大都来源于系统的理论研究工作，只有约6%来是直接来自本 单位的预先计划好的研究，因此，应该重视这种系统性的理论研究工作。学校的多数科学研究 应该有生产的背景，但是要在更高更深的角度去做系统的理论性工作。一些工厂还顾意请学 校的教授去当顾问，指导工作人员解决实际问题，帮助工厂的生产和发展。 八十年代金属材料科研动向 根据七十年代的现实，可以预测80年代的材料研究动向。计有以下五个方面： 1.引入新技术，改革生产工艺在新的生产工艺的基础上应用和发展合金设计理论。这将 是八十年代新合金发展和老合金提高的主要特点。这个趋势可以从外推七十年代合金发展的 现实而得到。前面已经讲过，一项重大新技术新工艺的引入要化15年左右的时间，因此，八十 重大作用的新技术新工艺实际已经在七十年代中出现。以高温合金为例，图3说明高温合金 年代中将要起的发展是不断采用新技术和新工艺的结果，对于祸轮盘材料，粉末治金盘是最 成熟的将大量应用的新技术，对于在高沿低应力下应用的导向叶片和燃烧室材料，机被合金 化和陶瓷材料有着很大的潜力，从目前情况来看，机械合金化将在八十年代获得推广应用。 对于祸轮叶片材料，定向工艺，包括定向和单晶叶片是最成熟的，定向共的和复合材料是 可能的竞争对手。然而，由于出现了采用y2o3质点和Y'相踪合强化的机被合金化MA6000 合金，机械合金化似乎有更大的竞争能力。 预计急冷技术将会给八十年代的新合金开创一个新的局面。原来的研究是用急冷技术得 到非晶态，这当然意义重大，例如用非晶态来代替矽钢片，单单通过降低磁循环消耗一项就 可以每年节约相当6百万桶油的能量，预计今后五年内可以实际应用非晶态磁屏。另外非晶 态的抗腐蚀性也很好，这一点将在八十年代得到更大的发展。当前，应用急冷技术得到微晶 的兴趣大大增加了，一种是得到急冷粉末，再通过粉末冶金办法做成大块物体，另一种是做 薄带，再扩散焊接起来，再一种是作表面处理得到一薄层急冷层。美国PWA公司用急冷技 术做一种维富叶片（wafen blade),它采用一种新的镍基合金，成分为6.8A1-l4.5Mo -6.2W-0.06C,这种合金在正常冷却条件下会折出大块中问化合物而脆化，但应用急冷技术 就以得到性能好的薄片，再用电化学方法在薄片上刻出很复杂的冷却系统，合成整块以后 201

个中小型公 司来说 ， 往往采取不 同的做法 ， 很少做这种重大新技 术工作 ， 比较顾意做 密切结 合 生产 需要 的 中小课 题 ， 一般是时 间短 ， 见 效快 ， 经 费少的 中小课 题 ， 例 如 美 国 钢厂 的 工 艺研 究课 题有以 下几个 用计 算机控 制 脱氧速度 。 用 ℃热煤直接入 焦 化炉 ， 使 焦化时 问缩短 一 小时 ， 焦碳强度提 高 一 。 此外还 有关于 炉 ， 炉 的工 艺研究 等 。 中 小工厂 对于一些较理论性的课题也是感 兴 趣 的 ， 通 常采用 的办法是 与大学 合作 。 大 中小公司都十分重视 与大学合作 。 事实 上 ， 许 多新 技术 的开 始 阶段 都是 在学校搞 的 ， 例 如 急冷技术的权威是 的 教授 ， 现 在 公司进 行 工业 性 的研 究应 用 。 再如 ， 机 械 合金化是 学校先搞 的 。 目前开 始的节约 战 略元 素的预 研究 阶段 也是 由哥 伦 比亚大学 负 责的 。 看来 ， 这是一种 很好 的挂钩方式 ， 是解决工厂 下一 个十年 的发展 方 向这样重大 的 问题 的 。 对于一 些非 常具体的工 艺 问题 ， 多半是 工厂 自己做 ， 但 为了在 更 高的水 平上 去解决生产 中的 问题 ， 工厂 往 往顾意 出钱 与学校 合作 ， 由学校做更 系统和 更 理论 的 工 作 。 应 该 强调 指 出 ， 这种 题 目都是 有生产 需要 的 背景 的 ， 但又不 是 就事论 事的做 法 ， 而且 从 更广 更 深 的 角度 去做 。 这种做法是 基 于这样一种 认识 ， 即一 个新 技 术 的 出现是建立 在生产 需要 和 抖学进 展 的 基 础 上的 ， 生 产发展 的需要是推动一 项新 技术出现 的动 力 ， 科 学 的进 展 是新 技 术 出现 的学术准 备 ， 据 估计 ， 产生新技术的思路大都来 源于系 统的理论研 究 工作 ， 只 有约 来是直 接来 自本 单 位 的预 先计 划好 的研究 ， 因此 ， 应 该 重视 这种 系 统性 的理 论研究工作 。 学校 的多数 科学研 究 应 该有生产 的 背景 ， 但是要在 更 高更 深 的角度 去做系统 的 理 论性工作 。 一 些工厂还 顾 意请 学 校 的教授 去 当顾 间 ， 指导工作人 员解决实际 问题 ， 帮助工厂 的生产和 发展 。 八 十年代金属材料 科研 动 向 根据七 十年代的现实 ， 可 以预测 年代的材料研 究动 向 。 计 有 以 下五个方 面 引入 新技术 ， 改革生产工艺在 新 的生产工 艺 的基 础 上应 用 和 发展 合 金设 计理论 。 这将 是八十年代新 合金发展和老 合金提 高的主 要特点 。 这个趋势可 以 从外推 七十年代合金发展 的 现实而得到 。 前面 巳经讲过 ， 一项重大新 技术新 工 艺 的 引入 要 化 年左右 的 时 间 ， 因此 ， 八十 重大作用 的新 技 术新工艺实际 巳经在七 十年代 中出现 。 以 高温 合金 为例 ， 图 说 明高温 合 金 年代 中将 要起的发展是不断采 用 新技术和 新 工艺的 结果 ， 对于 涡轮盘材 料 ， 粉末 冶金盘是最 成熟的将大量应 用 的新技术 ， 对于在 高沿低 应 力下应 用 的导 向叶片和 燃烧 室 材 料 ， 机械合金 化和陶瓷材料有着很大的潜力 ， 从 目前情况来 看 ， 机械合金 化将在 八十年代 获得 推广应 用 。 对 于 涡轮叶片材料 ， 定 向工 艺 ， 包括定 向和 单晶叶片是最成熟的 ， 定 向共 晶和 复合材 料是 可能 的竟 争对手 。 然 而 ， 由于 出现 了采用 一 。 。 质点和 洲相踪合强 化的机械合 金 化 。 合金 ， 机械合金 化似乎有更大的竟争能力 。 预计急冷技术将 会给八十年代的新 合金开创一 个新 的局 面 。 原来的研 究是 用 急冷 技术得 到非 晶态 ， 这 当然意义 重大 ， 例 如用 非 晶态 来代替 矽 钢 片 ， 单单通过 降低 磁循 环消耗一 项就 叮以每 年节约 相 当 百万桶 油的能量 ， 预 计今后五 年内可 以 实 际应 用非 品 态 磁屏 。 另外非 晶 态 的 抗腐蚀性也很好 ， 这一点将在八十年代得到 更大 的发展 。 当前 ， 应 用急 冷技术得 到微 晶 的兴 趣大大 增加 了 ， 一种 是得到急冷粉末 ， 再通过 粉末 冶金办 法 做成 大块 物 体 ， 另一 种 是做 薄带 ， 再扩 散焊接起来 ， 再一种 是 作表 面处理得到一 薄层 急冷层 。 美 国 公 司用 急冷技 术做一种维富 叶片 ， 它 采用 一种新 的镍 基 合金 ， 成 分为 一 。 一 一。 ， 这种 合金 在 正常冷却 条件下会折 出大块 中 间化合 物而脆化 ， 但 应 用急冷 技术 就可 以得到性 能好 的薄片 ， 再用 电化学方法在 薄片 上刻 出很 复杂的冷却系 统 ， 合成 整块 以后

再进行定向再结晶处理得到拉长的晶粒，这种叶片使推重比提高50%（与定向叶片相比较）， 利用急冷技术生产粉末的好处很多，最吸引人的是可以得偏析极小的高度过饱和的固溶 体。同时极细的晶粒还带来降低压力加工能量消耗的好处，用这种粉末可以得到高级的铝合 金，高温合金。利用急冷技术改善表面结构甚至表面成分方面将会有重要的发展，由于许多 破坏过程都是从表面开始的，这就为表面处理提供了一个广阔的应用场所，例如应用激光技 术改善30！不绣钢的应力腐蚀开裂。应用激光表面熔化来改善抗热腐蚀性能。目前应用急冷 技术改变表面成分的工作不多，预计会有更多的研究出现。最近，美国技术研究中心(U- ited Technologies Research Center)设计了一种称为定向能量处理的新工艺设想 (Directed enrgy Proceossing)。这是通过激光技术来制造出一薄层-一游层都具有不 同成分和结构的组成部件的办法。采用激光，电子束或离子束为热源的急冷技术不仅会给八 十年代新合金打一个新局面，同时还对材料科学提出了许多新课题，例如在急冷条件下的形 核长大理论，介稳定相的形成和介稳定相图，细晶结构下的组织结构与性能关系等等。 新技术新工艺的引入往往带来合金设计观点的相应变化，例如单晶叶片的设计思想就不 同于一般镍基高温合金的思想。由变形合金走向铸造合金的时候，合金组织的变化是由均 匀组织龙向不均匀组织，但足由铸造合金走向单晶叶片时，这种思路变了，对于单品叶片来 说，大块碳化物只是裂纹源，没有强化作用，这时组织上的要求又从不均匀走向均匀化。从 成份上讲，由于取消了晶界，起强化晶界作用的微量元素不需妥了，相反，这些微量元素会 降低合金的初熔温度，从而不能提高固溶处理温度以得到均匀弥放的时效析出细Y'相。其 次，与晶界密切相关的热疲疗。晶界蠕变跪性等会由于取消了晶界而改善，对它们的尖求就 从第一位降为第二位的了。再者，合金的可铸性也无所谓了。这样一来，对单品叶片来说， 只有变强度和抗氧化热腐蚀性是第一位的要求，从而单晶叶片的成分设计要作相应的变 化。例如，原来定向铸造叶片是用MM200+Hf合金，含有11个元素之多（表1），而单品 叶片的成分大大改变了，只含有7个元素（表1中的A11oy54)。首先是去掉全部微量元 素，包括C、B、Er、Hf。其次是用Ta代W,提高含Cr量到1O%,以提高合金的抗氧化热 腐蚀性。 表1 铸造叶片和单晶叶片的化学成分 合 金 Cr Ni oC Ti W Nb Ta B Er MM200+Hf 9 基 10 5 2 12 2 10.140.0150.08 A11oy454 10 悲5 5 1.5 12 但是这并不意味着已有的合金设计理论没有用了、相反、在新工艺的基础上运用合金设计 理论将会大大加速高温合金的发展，所以图3中达到饱和的时间愈来愈短。以机械合金化为 例。最初的合金是MA754,是一个用y2o质点强化的简单Ni-Cr固溶体合金（表2）， 其强度水平足不高的。但是运用已有的Y强化的合金设计知识以后，很快就样到y20和Y 合强化的MA6000合金（表2），一下子就把机械合金化水平大大提高了一步。 上述趋势也适应用于其它类型的合金。例如应用控制轧制技术以后，管线用钢得到了很 大的发展，使得提高强度和提高缺口韧性和断裂能量消耗的矛盾得到较好的解决，以设能！： 产综合性能良好的尺寸大到64时的管子，特别是采用控制轧制的超低碳钢（如贝菌体剩，以后， 202

再进行定 向再结晶处理得到拉长的 晶粒 ， 这种叶片使推重 比提高 与定向叶片相 比较 ， 利 用 急冷 技 术生产 粉末的好 处很 多 ， 最 吸 引人 的 是可 以得偏析极 小 的 高度过饱和 的 固溶 体 。 同时 极细 的晶 粒还带来降低压力加 工能 量消耗 的好处 ， 用这种 粉末可 以 得 到高级 的铝 合 金 ， 高温 合 金 。 利用 急冷技 术改 善表面结 构甚 至表面 成 分方 面将 会有重要 的发展 ， 由于 许 多 破坏 过 程都 是从表面 开 始的 ， 这 就为表面 处理提供 了一 个广阔 的应 用场所 ， 例如 应 用激 光技 术改 善 飞不 诱 网 的应力腐蚀开裂 。 应用 激 光 表面 熔 化来改 善抗热腐蚀性能 。 目前应 用急冷 技术改 变表 面 成 分 的工作 不 多 ， 预计 会有更 多的研 究 出现 。 最 近 ， 美 国技 术研 究 中心 ， 设 计 一 种 称为定 句 能 量 处理 的新 工 艺设 想 。 这是通 过 激 光技术来制造 出一 薄层 一 薄层 都具 有不 同成 分和 结 构的 组成部件 的办法 。 采 用激 光 ， 电子 束或离子 束为热 源 的急冷技术 不 仅 会给 八 十 年代新 合 金打一 个新 局面 ， 同时还对材 料科学提 出了许多新 课 题 ， 例 如 在 急冷条件下 的形 核长大 理 沦 ， 介稳定 相的形成 和 介稳定 相 图 ， 细 晶 结构下 的组 织 结构 与性能关 系等等 。 新 技术新 工 艺的 引入 往住带来 合金设 计 观点 的相应 变化 ， 例 如 单 晶叶片的 没计思 想 就 不 同于一般 镍 基 高温 合金 的思 想 。 由变形 合金走 向铸造合金 的时候 ， 合金组织 的 变化 廷 由均 匀组 织 走向 不均 匀组织 ， 但 是 由铸造 合金走 向单晶 叶片时 ， 这 种 思路 变 了 ， 对于单 品叶片 来 说 ， 大块 碳化物只 地裂 纹 源 ， 没有强 化作用 ， 这 时 组织 上的要求又 从不 均匀走向均匀化 。 从 成 份 上讲 ， 由于取 消了晶 界 ， 起强 化晶 界作用 的微 量元 素不 需要 了 ， 相反 ， 这 些微 量 元 素 会 降低 合 金的 初 熔温 度 ， 从 而 不 能提 高固 溶处理温度以 得 到均 匀弥 故的 时效 析 出细 丫‘相 。 其 次 ， 与晶 界密 切相关 的热 夜 芳 。 晶 界濡 变脆 性等会 由于取 消 了晶 界而 改 善 ， 对 它们 的 要求就 从 第一 位 降 为第二 位 的了 。 再者 ， 合 金 的可 铸性也无所 谓 了 。 这 样一 来 ， 对 单 晶叶片来 说 ， 只 有端 变 强度和 抗 氧化热 腐 蚀性是 第一位 的要求 ， 从 而单晶 叶片 的成 分 设计要作 相应 的 变 化 。 例 如 ， 原来定 向铸造 叶片是用 合金 ， 含有 个元 素之 多 友 ， 而 单晶 叶片的成 分大大改 变 了 ， 只 含有 个元 素 表 中的 ， 。 首 先 造去掉全部微 量元 素 ， 包括 、 、 、 。 其次是 用 代 ， 提 高含 量 到 。 ， 以 提 高 合金的 抗氧 化热 腐蚀性 。 表 铸造叶片和 单晶叶片的 化学成 分 一︸ ︸ 门︸曰卜一 ﹃ 金 ‘月‘ 卜二皿 处日卫二匕巴巨生 一 已里 些些竺早三到竺皿 到 竺且竺 毛一二 “ 。 “ ‘ ‘ “ ‘ …‘ · ‘ 一 … ‘ ， 匕 一 但 是这 并 不意味着 巳有的 合金设计理论没有用 了 、 相反 、 在 新工 艺的 基 础上运用 合金设计 理论将 会大 大加 速 高温 合金 的发展 ， 所 以 图 中达 到饱 和 的 时 间愈来 愈短 。 以 机械 合金 化 为 例 。 最 初 的 合金是 ， 是一 个用 。 。 质点 强 化的 简单 一 固溶体合 金 表 ， 其 强度水 平 是不 高的 。 但 是运用 已有的 洲强 化的 合金 设计知 识 以 后 ， 很 决就得 到 。 。 和 丫’标 合 强 化 的 合金 表 ， 一下 子就 把机械合金 化水 平大大提 高了一 步 。 上 述趋 势也适应 用于 其它类型 的合 金 。 例如应 用控 制轧制技术以 后 ， 管线 用 钢得 到 一 ’ 很 大的发展 ， 使得提 高强度和提 高缺 口 韧 性和断裂 能 量消耗 的 矛盾得 到较好 的解 决 ， 以 致 能 产 三 产 综 合性能 良好 的尺寸大到 时 的 管 子 ， 特 另 是采 用控 制轧制 的超低 碳钢 如 贝菌体 钢 ， 以 后

表2 机械合金化合金成分 合金 Al Ti Ta Cr 0 C Er B Ni y203 MA754 0.3 0.5 20 0.05 基 0.6 MA6000 4.5 2.5 2.0 15.0 2.0 4.0 0.05 0.15 0.01 基 1.1 得到的好处更大。与此同时合金设计的思路也有相应的变化，强调利用微量Nb、Ti等元素 控制细晶粒和得到MC型碳化物硬化。但是，控制轧制的发屐也带来一些生产上和学术上的限 制，为了进一步发展，可能又要回到淬火回火工艺，美国西尾公司已展开了这方面的研究， 制造一套大型感应加热的淬火回火设备。不锈钢也是一个例子，超低C,N的不锈钢的应用和 新的钢包处理技术的推广为不锈钢提高质量和降低成本打开了道路。美国坩埚公司生产不锈 钢已全部采用AOD(大到100吨)技术，美国有60吨的其空感应炉，据说主妥要生产不锈钢 的，目前不锈钢的成本已降得很低。日本在六十年代中期领先研究复相钢，由于具有优良的塑 性和成形性，同时保持高强度，预计会有更大虫的应用，现在美国在这方面的研究也很多。 2.在材料科学新的理论指导下的金属材料的新发展。 材料科学理论近来有很大的发展，这种发展在科学上指出金属材料的发展方向和提供 能性，这将对金属材料的发展产生重大的影响，预计这在八十年代将史鲜明地表现出来。对 金属材料发展最有影响的材料科学理论进展有三个方面：即表面科学的发展，材料破坏过程 的研究和聚合物结构性能的了解。材料破坏过程包括断裂力学，氧化、腐蚀和热腐蚀，（包 括应力腐蚀)，脆化现象（包括由各种原因引起的脆化现象），腐蚀过程的研究等，这些研 究已经给材料发展带来很大的影响，首先是在材料的正确选择和使用方面，传统的设计思 想。已被改变为破损安全设计思想。以及推行所谓推进系统结构完整性方案，这样一来，对一 个材料的评判指标就不仅是常规性能，而且要求材料有好的抵抗破坏的能力。所以只考虑强度 一个方面是不合适的，从这个角度来对某些老合金作新的探讨龙十分必要的，其结果将会使 老合金获得更高的质量和更好的使用，相信这应该是今后材料研究中的一个重要方面，美国 的Waspaloy合金是一个老合金，但是从1960年到1977年，通过不断的工作使其性能大大 提高一步，以屈服强度来讲，就从约120Ksi提高到约170Ksi。 材料破坏过程的研究的另一个直接的后果是大大促进了对接近使用条件下的力学性能研 究，这是更合理使用材料，更准备估计寿命的需要，同时也对合金发展带来重大的影响。例 如对强度的估计，只考虑常规强度早已不够了，人们的注意力已从对高频疲芳向低频疲劳 (缺口)和热疲劳进而复杂应力下的材料力学行为转移了。要对气氛一复杂应力一温度三个 因素踪合作用下的力学行为作出估计。从氧化腐蚀的角度来讲，只对恒温抗氧化腐蚀性能作 出估计已不够了，要进而研究在热循环条件和应力条件下的氧化和腐蚀作用。 除了上述二项以外，我还想着重指出以下四个具体的发展值得亚视。 (1)大量发展细晶粒工程材料这是上述科学发展的直接结果之一。大家早就知道，晶粒 细，化不仅对强度而且对韧性都有好处，是能同时改善强度和韧塑性的手段之一，最近研究指 出细晶粒对抗腐蚀性也可能有好处，例如可能得到无晶界腐蚀的细晶粒不锈钢，细晶粒的这项 好处也许为得到具有高强度和良好抗腐蚀性的合金开辟了新路。高温合金方面的粉末冶金祸 轮盘也是一个很好的例子，不仅可以采用这种工艺来制造一些难于变形的高强度无缩折小的 203

表 机械合金化合金成 分 合 金 〕 ， 一 基 基 得 到的好处更大 。 与此 同时合 金设计的 思 路 也有相应 的 变化 ， 强调 利用 微 量 、 等元 素 控 制 细 晶粒 和得 到 型碳化物 硬 化 。 但 是 ， 控 制轧 制 的发展 也带 来一 些生产 上和 学术 上 的 限 制 ， 为 了进一 步发展 ， 可能又要 回到淬火 回火工艺 ， 美 国西尾 公 司 已展 开 了这 方 面 的研究 ， 制造一 套大型 感 应加热的淬火 回火设 备 。 不 诱钢 也是一 个例 子 ， 超低 ， 的 不 锈 钢的应用和 新 的钢 包处理技术的推广为不 锈钢提 高质量和 降低成 本打开 了道路 。 美 国柑锅 公 司生产 不 诱 钢 巳全 部采用 大到 吨 技术 ， 美国有 吨的真 空感应 炉 ， 据说主 妄 龙生产 不 锈钢 的 ， 目前 不 锈钢 的成 本 巳降得 很低 。 日本在 六十 年代 中期领 先研 究 复相钢 ， 由于具有 优 良的 塑 性 和成 形 性 ， 同时保持 高强度 ， 预 计会有更 大量 的应用 ， 现 在美 国在这 方 面的研 究 也很 多 。 在材料科学新 的理论指导 下 的金属材料的新发展 。 材 料科 学理论近 来有很大的 发展 ， 这种发展 在科学上指 出金 属材料的发 展方 向和提供 可 能性 ， 这将对金 属材料的 发展产生 重 大的影 响 ， 预 计这 在 又十年代将 史 鲜 明地 农现 出来 。 对 金属材料发展最 有影响的材料科学理 沦进 展有三 个方面 即表面科学 的发展 ， 材料破坏 过 程 的研 究和 聚 合物 结 构性能 的 了解 。 材 料破坏过程 包括 断裂 力学 ， 氧化 、 腐蚀和热腐蚀 ， 包 括 应 力腐蚀 ， 脆 化现 象 包括 由各种原 因 引起 的脆 化现 象 ， 腐 蚀过 程 的研究 等 ， 这 些研 究 巳经 给材料发展带来 很大的影响 ， 首 先是在材料的 正 确选 择和使 用方 面 ， 传统 的设计思 想 。 已被改变为破损安全设计思 想 。 以 及推行所 谓推进系统结 构完整性方 案 ， 这 样一 来 ， 对一 个材料的评 判指标就不仅是常规 性能 ， 而且要求材料有好 的抵抗破坏 的能力 。 所 以只 考虑 强度 一 个方面 是不 合适 的 ， 从这个角度来对 某些老 合金作新 的探讨足十分 必要 的 ， 其结果将 会使 老 合金 获得 更 高的 质量和 更好的使 用 ， 相信这应该 足今后 材料研究 中的一个重要 方面 ， 美 国 的 合金 是一个老 合 金 ， 但是 从 年到 年 ， 通过 不断 的工 作使其性能大大 提 高一步 ， 以 屈 服 强度来讲 ， 就从约 “ 提 高到约 。 材料破坏 过程 的研究 的另一 个直接 的后 果是 大大促进 了对 接近使 用 条件下 的 力学性能研 究 ， 这是更合 理 使用 材料 ， 更 准备估计 寿 命的需要 ， 同时 也对 合 金发 展 带来 重 大的 影 响 。 例 如对强度的估计 ， 只考虑常规 强度早 已不够 了 ， 人 们 的注意力 已从对 高频疲 劳 向低 频疲 劳 缺 口 和热 疲劳进 而复杂应 力下 的材料 力学 行 为转移 了 。 要 对 气氛一 复杂 应 力一 温度三个 因素踪 合作用 下的力学行为作出估计 。 从氧 化腐蚀 的 角度来讲 ， 只 对恒温 抗氧化腐蚀性能作 出估计 巳不 够 了 ， 要进而研究 在热循 环条件和 应 力条件下 的氧 化和腐蚀作用 。 除 了上述二 项 以外 ， 我还 想着重 指 出以 下 四个具 体 的发展 值得 重视 。 大量发展 细 晶粒工程材料 。 这 是 上述 科学 发展 的直 接结 果 之一 。 大 家早 就 知道 ， 晶粒 细 ， 化不仅 对 强度而 且 对韧 性都有好 处 ， 是能 同时 改 善强度和 韧 塑性的手段 之 一 ， 最 近研究 指 出细 晶粒 对抗腐蚀性也可 能有好处 ， 例 如 可 能得 到无 晶界腐 蚀 的细 晶粒 不 锈 钢 ， 细 晶粒 的这 项 好处也许 为得 到具 有高强度和 良好 抗腐蚀性的合金开 辟 了新路 。 高温 合 金方面 的粉末 冶金 涡 轮盘也是一个很好的例子 ， 不 汉可 以 采用这种工艺来制造一 些难于变形 的高强度无 缩折小 的

盘件，而且可以利用超细晶粒钢具有超塑性的特点，得到精确形的产品，降低成本。超细晶粒 (粉末)高速钢和超细晶粒粉末超高强度钢以其它细晶粒钢都是很有前途的。对控制轧制钢米 讲，品粒细化是提高强度和韧性的主要因素。近来，美国特殊钢公司把这种细晶粒的要求扩 大到钢锭生产上，得到一种称为Vadr的冶炼工艺，以生产没有柱状品的偏析少的细晶粒钢 锭。 （2)进一步研究钢中微量元素的作用。这是表面科学和材料破坏过程研究新进展的理所 当然的后果。当然，研究工具的进展（如俄歇能谱）给这种研究创造了尔件。表面和内表面 (包括相界面)往往是材料破坏的起点，微量元素往往容易分布在内表面上，对材料的抗氧化 腐蚀能力，断裂抗力，组织结构等方面都会产生重大影响，另一方面，许多冶炼工艺的改变都 与钢中微量元素（包括气体及杂质）的变化有关系，这也是一个重要的推动力。美国US钢 厂对控制轧制管线用钢的夹杂物数量，大小和分布对材料抗断裂能量的影响做了大量研究， 并且研究了微量元素对它的作用。用微量元素改善抗氧化和腐蚀（包括应力腐蚀，热腐蚀） 的工作也是很吸引人的，微量元素在高温合金中有更为重要的作用。人们设想，如果能制造 出一种很好的控制晶界面化学成分的材料，一定能得到前所没有的踪合性能。 (3)表面处理工艺的新发展。人们愈来愈注意研究用各种各样的方法去改变金属材料表 面的成分和性质。涂层是解决强度和抗蚀性之间矛盾的基本方法，近来得到涂层的方法由扩 做法向覆盖法转移，这有利于得到用途更广，性能更稳定的层涂，不仅有抗氧化腐蚀涂层， 而且有隔热涂层，抗磨蚀涂层等。激光表面处理得到激冷表面层，其显微组织完全被改变 了，可以是细枝晶结构，超细的共晶组织，过饱和度很大的固溶体以及非晶等等，这就改变 了表面性能，已经有一些文章报导了对高温合金，高速钢及其他各种合金的研究结果。采用 电子束加热的好处是很容易实现定向能量处理。离子束被广泛采用来作改变表面成分的方 法，即离子注入法。这种技术提供了一个定制表面成分的机会。具有重要意义。 (4)可能出现某些新技术材料的重大突破。我们并不认为这种重大突破是容易取得的， 但是八十年代可能有较大进展。以陶瓷材料为例，长期以来，人们梦想得到塑性陶瓷材料， 但是一直进展不是很大，近来，在破坏过程研究的基础上人们设想，如果能适当裂纹尖端处 材料的塑性，就可能避免脆断，这也许是得到塑性陶瓷的方法。现已了解，某种马氏体相变 可以导致塑性增高，如正方ZrO2向单斜ZrO,作马氏体相变，伴随着塑性增加，只要能做到 在裂纹尖端应力场的作用下，该处介稳定的正方ZO:能在动态中发生马氏体相变，就可以 减少脆断倾向。问题是如何使在材料制作过程中不发生这种相变，把正方ZO,保留下来， 让它在使用中发生相变。研究已证明，当ZΓOz质点小于某一临界大小时，马氏体相变被推 迟。加入yz03质点也起推迟该马氏体相变作用。其它方面，如超导材料也有可能有重大进 展。 3.发展针对各种不同要求和目的的多样化的材料和合金元件。这项予测来源于社会和 经济对材料的压力愈来愈增加的趋势和材料科学进展带来的科学可能性增加。能源问题要求 生产材料的创造过程耗更小的能量，但对作为产品的材料却有更高的要求，有更高的实用性， 耐用性和安全可靠性。例如，目前，抗腐蚀性几乎已成为各种各样材料的共同要求。为了解决 能源危机要有各种高效率的能量转换材料，高温材料，和比强度大的结构材料。例如汽车类运 输工具用的各种材料之间竞争的重点，往往是在成本方面而不是质量方面，轻型汽车上到候 是选用高强度低合金钢还是高强度铝合金或复合材料，就是一个这样的问题，据报导如果采 用复合材料后，可以减轻重量60-70%。预计到1985年每辆汽车上用的塑料会由目前的200磅 204

盘件 ， 而且 可 以 利用超细晶粒 钢具有超 塑性的特点 ， 得到精确形 的产品 ， 降低成 本 。 超 细晶粒 粉末 高速 纲和 超 细 晶粒 粉末超 高强度钢 以 其 它细 晶粒 钢都是 很有前途的 。 对控 制轧 制钢 来 讲 ， 品拉 细 化是 提 高强度和 韧性 的主 要 因 素 。 近 来 ， 美 国特殊钢 公 司把这 种 细 晶粒 的 要求扩 大到钢 锭生产 上 ， 得 到一 种 称 为 “ 的 冶炼工 艺 ， 以 生 产 没 有柱状 晶的 偏析 少的细 晶粒 钢 锭 。 进 一 步研究 钢 中微量 元 素的作用 。 这 是表面 科学和 材料破坏 过 程研究 新进 展 的理所 当然 的后 果 。 当然 ， 研 究 工具 的进展 如俄 歇能 谱 给这 种研究 创造 了条件 。 表面 和 内表面 包括 相 界面 往 往 是材料破坏 的起点 ， 微 量 元 素往往容易分布在 内表面 上 ， 对材料的 抗 氧 化 腐蚀能 力 ， 断 裂 抗 力 ， 组 织结 构等方 面都 会产生 重大 影响 ， 另一 方 面 ， 许 多冶炼工艺 的 改 变都 与钢 中微量 元素 包括 气体 及杂质 的 变化有关系 ， 这 也是一个重要 的推 动 力 。 美 国 钢 厂 对控 制 轧制 管线用 钢 的 夹杂物数 量 ， 大小和 分布对材料 抗断裂 能 量 的影 响做 了大 量 研究 ， 并且 研 究 了微 量 元 素对 它 的作用 。 用 微 量元 素改善抗氧化和腐 蚀 包括 应 力腐 蚀 ， 热腐蚀 的工 作 也 是 很 吸 引人 的 ， 微量 元 素在 高温 合金 中有更 为重要 的作用 。 人 们设 想 ， 如 果 能 制造 出一 种很 好 的控 制 晶界而 化学成 分 的材料 ， 一 定能得 到前所 没有的踪 合性能 。 表 面处理 工 艺的新 发展 。 人 们 愈来 愈注意研 究 用 各种 各样 的方 法去改 变金 属材料表 的成 分 和性质 。 涂层 是解 决 强度和 抗蚀性 之 间矛盾 的 基本方 法 ， 近来得 到涂层 的 方 法 由扩 散 法 向 覆盖 法 转移 ， 这 有利 于得 到用途 更广 ， 性 能更稳 定 的层 涂 ， 不 仅 有抗氧 化腐蚀 涂层 ， 而 巨有隔热 涂层 ， 抗磨 蚀 涂层 等 。 激 光表 面处理得 到激 冷表 面层 ， 其显 微组织完 全 被改 变 了 ， 叮以 是 细枝 晶结 构 ， 超 细 的共晶组织 ， 过饱 和 度很大 的 固溶体以 及非 晶等等 ， 这 就 改 变 了表面 性 能 ， 已经 有一 些文 章报导 了对 高温 合金 ， 高速钢 及 其 他 各种 合金的研 究结果 。 采 用 电子 束加 热 的好 处是 很容易实现定 向 能量 处理 。 离子 束被广泛 采 用来 作改 变表面 成 分 的方 法 ， 即 离子 注入 法 。 这种 技术提供 了一 个定制 表面成分 的机会 。 具 有重要意义 。 可 能 出现 某些新 技术材料的 重大 突破 。 我们并不认为这种 重大突破 是容 易取得的 ， 但是 八十年代 可能 有较大进展 。 以 陶瓷材料为例 ， 长 期以 来 ， 人 们 梦想得到 塑性陶 瓷材料 ， 但是一直进 展 不 是 很大 ， 近 来 ， 在 破坏过程研究 的基 础上人们 设 想 ， 如果 能适 当裂纹 尖端处 材料 的 塑性 ， 就 可 能避 免脆断 ， 这也许是得到塑性 陶瓷 的方 法 。 现 已 了解 ， 某种 马 氏体相 变 可 以 导 致 塑 性增 高 ， 如 正方 向单斜 作 马 氏体相 变 ， 伴 随着 塑性增加 ， 只 要 能做到 在裂 纹 尖 端应 力场 的作用 下 ， 该处介稳定 的正方 能在 动态 中发生马 氏体 相变 ， 就 可 以 减少脆断 倾向 。 问 题是如何 使 在 材 料制作过程 中不发生这 种 相 变 ， 把 正方 保 留下来 ， 让 它在使用 中发生 相 变 。 研究 已证 明 ， 当 质点小 于 某一 临界大小时 ， 马 氏体 相 变被推 迟 。 加入 。 。 质点也起推 迟该 马 氏体相 变作用 。 其 它方面 ， 如超导材料也有可 能 有重大进 展 。 发展 针对 各种不 同要求和 目的 的多样化的材料和 合金元 件 。 这 项 予测来 源于社会和 经济对材 料 的压 力愈来 愈增加的 趋势和 材料科学进 展带 来 的 科学 一 可能 性增加 。 能 源 问题要求 生产材料 的 创造过 程 耗 更小 的 能量 ， 但对作为产 品 的材料却有更 高的要求 ， 有更 高的实用 性 ， 耐用 性和安 全可靠 性 。 例 如 ， 目前 ， 抗腐蚀性几乎 已成 为各种 各样材料 的共 同要求 。 为 了解 决 能 源危机要 有各种 高效率 的 能量 转换材料 ， 高温 材料 ， 和 比 强度大 的结构材料 。 例如 汽 车类运 输工具 用 的 各种 材料 之 间竟 争的 重点 ， 往往 是在成 本方 面而不 是质量 方 面 ， 轻 型 汽车 上 到底 是选 用 高强度 低 合 金钢还 是 高强度 铝合 金 或 复合材料 ， 就 是一 个这 样的 问题 ， 据 报 导如 果 采 用 复合材料后 ， 可 以 减轻重量 一 。 顶计到 年 每辆 汽车上用 的 塑 料 会由 目 前的 磅

增加到300-350磅。高比强度钢种也会增加到500磅，结果会降低总重量20-30%。这种性质 的竞争实质上就是生产工艺的竞争，如把纤锥强化的有机复合材料用到汽车上去的问题就是 成木太高，必须改变生产工艺降低成本，总之，针对某些重要零件的特殊要求专门制作（称 为实制材料)材料和工艺的倾向增大了，这样才能更有利于满足特殊要求和降低成本。 把上述定制材料的概念用到一个部件上，就出现了所谓组合元件，即用若干个不同性质 的材料组合成一个整体部件。以满足该部件的不同部位的不同要求。作为一个例子，介绍一 下八十年代将会出现的水冷透平叶片，八十年代的也燃气透平的主要发展为：采用煤气化 技术，燃气轮机和蒸汽轮机组成联合循环机以及制造更大的（达100MW)燃气轮机，这些 发展将对叶片材料提出更高的要求。涡轮进口温度将高达1430℃甚至1650℃。气氛的腐蚀性 更强，而且有磨蚀。目前解决的办法是采用水冷叶片，这种叶片不是由一种材料做成的，而 是一个组合部件，由耐腐蚀的蒙皮合金做表皮，表皮下面全是很复杂的由高强度高导热的铜 合金制成的水冷管，芯部是一个高强度耐热合金。水冷导向叶片最近已在一台进口温度为 1430℃的燃气轮机上试车60小时，预期八十年代中期将试车涡轮叶片。涡轮盘的轮缘和轮壳 部分的使用系件也不相同，设想也可以由不同材料组合而成。前面提到的定向能量处理就可 能是一种制造这种纽合件的方法，可以做出具有不同成分和组织结构的饥合部件来。 4.引人注目的节约战略元素的研究。近来，美国大力展开了这方面的研究。美国是一 个资源丰富的国家，但是它对战略资源的需要量也很大，就当前实际开采和供应的现实情况 来说，美国工业发展必不可少的许多战略元素依靠进口，美国矿业局统计有20多种元素依赖 进口一半以上。该局对每一种战略元素的库存量，年消耗量，今后需求量，以及世界上的藏 量，产量和市场供应及价格都作了调查，提出要特别重视战略元素的缺乏问题，认为一旦国 防牛产所必须的基本原料突然短缺，美国就容易受到打击，所以要大力购买战略元素和展开 节约战略元素的研究。美因宇航局主持制定了一个称为“Cosam”的庞大的研究计划，目 的是减少美国宇航业对进口战略元素的依赖，重点解决Co、Ta、Nb、Cr四个元素。据统 计，1979年美国用Co量约一万吨，其中30%用于高温合金。以一台F-100发动机为例，消 耗的金属元素量为：5366磅Ti,5204磅Ni,1656磅Cr,910磅Co,720磅A1,171磅Nb和3磅 Ta,总价约100000美元。“Cosam”计划分近期，中期，远期三部分，总共七年，8C-$2年 为预研期，32-86年为正式研究期。预研期主要研究C0的全面作用。选几个典型合金来做， 但要得出带普遍性的结果和能对各种合金估计Co的作用的方法。“Cosam”正式研究部分 要从三个方而去解决问题，即寻找低C0或无Co的代用合金，通过工艺改善而达到节约合金 元素的目的，以及寻找代用材料，此计划提出用FeA1,NiAl作为代用材料。 5.发展有关的则量技术，实现生产流水线上的材料质量控制以及使用时村料破坏过程 的控制。这个趋势现在正逐步明朗化。目前，生产流水线上的质量控制已得到校多的发，某 些领域中大致可以做到有一个基本的质量控制，但是更精确的控制仍待发展，材料破坏过程 控制方而的差距还比较大，这不仅是一个测量技术水平的问题，而且与对材料破坏过程了解 不够相关联。们是从发展趋势上来讲，实现这二个方面的控制是非常必要的，希望八十年代 会有较大的发展。 无损探伤技术是最重要的待发展技术。有三个方面的工作要做，即新的超声范围的波源 ,高质量的探头和传感器，例如一种二维位置灵敏的气体解离探头(Two dimontional Position-sensitive gas-breakdown detectors for neutrons and x-nays). 以及计算机自动控制与数据分析等。 205

增加 到 一 磅 。 高 比 强度 钢 种 也 会增加到 磅 ， 结 果 会降低 总重量 卜知 。 这 种 性质 的 竞 争实质 上就是生 产工 艺 的竟 争 ， 如 把 纤 锥 强 化的有机 复合材料用 到 汽车 上去 的 问题 就是 成 本太 高 ， 必须 改 变生 产工 艺 降低成 本 ， 总 之 ， 针对 某 些 重要 零件 的特 殊要求 专 门制 作 称 为实制 材料 材料和 工 艺的 倾 向增大 了 ， 这 样才能 更有利于 满足特 殊要求和 降低 成 木 。 把 上述 定制 材料 的概念用 到一 个部件上 ， 就 出现 了所 谓 姐合 元 件 ， 即用 若 干 个不 同性质 的 材料组 合成一个 整体部件 。 以 满 足该 部件 的不 同 部位 的 不 同要求 。 作 为一个例 子 ， 介绍一 下 八十 年 代将 会 出现 的水冷透 平叶片 ， 八十 年代 跳 ’ ‘ 少拭胜气透 平 的主 要 发 展 为 采用 煤 气化 技术 ， 燃 气轮机和 蒸汽轮机 组成联 合循 环机 以 及制造更大 的 达 燃 气轮初 ， 这 些 发展将对叶片材料提 出更高 的要求 。 涡 轮进 口 温 度将高达 ℃甚 至 ℃ 。 气氛 的腐蚀性 更强 ， 而且 有磨 蚀 。 目前解决 的办法 是 采 用水 冷叶片 ， 这 种 叶片不 是 由一 种 材料做成 的 ， 而 是一 个 组 合 部 件 ， 由耐腐蚀 的 蒙皮 合 金做表 皮 ， 表皮下 面 全是 很 复杂的 由高强度 高导热 的铜 合 金 制 成的水 冷管 ， 芯部是一 个 高强度 耐热 合 金 。 水 冷导 向 叶片最 近 巳在一 台进 口 温 度为 ℃ 的 燃 气轮机 上试 车 小 时 ， 预 期八十年代 中期将试 车涡 轮叶 令 。 涡 轮盘 的 轮缘和 轮壳 部 分 的 使用 条件 也 不 相 同 ， 设 想 也可 以 由不 同材料组 合而 成 。 前而 提 到 的 定 向能 量处理 就可 能 是 一种 制造 这 种 组 合 件的方 法 ， 可 以 做 出具有 不 同成分 和 组 织结 构 的 组 合 部件 来 。 弓人 注 目的节 约 战 略元 素的研 究 。 近来 ， 美 国大 力展 开 了这 方 面 的研究 。 美 国是一 个 资源丰富 的 国家 ， 但是 它 对战 略资源的 需要量 也很大 ， 就 当前实际开 采 和 供 应 的现实情 况 来说 ， 美 国 工 业 发展 必 不可少 的许 多战略元 素依靠进 口 ， 美 国矿业 局 统计有 多种 元 素依赖 进 口 一半以 上 。 该 局 对每一种 战 略元 素的 库存量 ， 年消耗 量 ， 今后 需求量 ， 以 及世 界 上的藏 ‘ 量 ， 产量 粕市场供 应 及价格都作 了调 查 ， 提 出要特别 重视 战略元 素的 缺乏 问题 ， 认 为一 旦 国 防生 产所必须 的 基 木原料 突然 短 缺 ， 美 国就容 易受 到打击 ， 所 以 要大 力购 买 战 略元 素和 展开 节约 战 略元 素的研 究 。 美 国宇航 局主 持制定 了一 个称 为 “ ” 的庞 大 的研 究计 划 ， 目 的 是 减少 美 国 宇航业 对进 口 战略元 素的依赖 ， 重 点解决 。 、 、 、 四个 元 素 。 据 统 计 ， 年美 国用 。 量 约一 万 吨 ， 其中 用 于 高温 合 金 。 以 一 台 一 。 发动机为例 ， 消 耗 的 金 属 元 素量 为 磅 ， 磅 ， 磅 ， 磅 ， 磅 ， 磅 〕 和 磅 ， 总价约 美 元 。 “ ” 计 划 分 近 期 ， 中期 ， 远 期三部分 ， 总共七 年 ， 一 年 为预研 期 ， 一 年 为正 式研 究 期 。 预研 期主 要研究 。 的 全面作 用 。 选 几个典到 合金 来 做 ， 但 要得 出带作遍 性的结 果和 能 对 各种 合金估 计 。 的作 用 的 方 法 。 “ ” 正 式研 究 部分 要从 三个方 而去解 决 问 题 ， 即寻找 低 或无 。 的 代用 合 金 ， 通过 工 艺改 善而 达 到节 约合 金 元 素 的 目的 ， 以 及寻找 代用 材料 ， 此 计 划提 出用 ， 作 为代用 材料 。 发 展有关 的 侧 量 技 术 ， 实现生 产 流水线 上 的 材 料质 是 控 制 以 及使 用 时 材 料破 坏 过 程 的控 制 。 这 个趋 势现 在 正 逐 步 明 朗化 。 目前 ， 生产 流水线 上 的质量控 制 巳得 到 较 多的 发展 ， 某 些领 域 中大 致可 以 做 到有一 个基 木 的 质 量 控 制 ， 但 是 更 精确 的 控 制 仍待 发 展 ， 材 州 破 坏过 程 控 制方 而 的 差 距 还 比较 大 ， 这 不仅 是一 个 测量 技 术水 平 的 问 题 ， 而 日 与 对材料 破坏 过 碎 了解 不够 相关联 。 但 是从 发 展趋 势上 来讲 ， 实现这二个 方面 的 控 制 是非 常 必 要 的 ， 希 中 又十 年代 会有较大 的 发展 。 无 损探 伤 找术 是最 秉 要 的待 发展 技术 。 有三个 方 面 的 工作 要做 ， 即 新 的 超 声 范围 的 波源 ， 高质 量 的 探 头 和 传感 器 ， 例如一 种二 维位 置 灵敏 的气体解离探 头 一 一 一 。 以 及计算机 自动控 制与数据 分析等