韩静涛：了不起的匠人

文/郭晓心·中国锻压协会

韩静涛：了不起的匠人

文/郭晓心·中国锻压协会

韩静涛，北京科技大学（以下简称“北科大”）材料科学与工程学院（以下简称“材料学院”）教授、学科主任，兼任中国科学技术协会全国委员会委员、中国锻压协会首席专家、中国钢铁工业协会理事、中国金属学会荣誉理事、中钢构冷弯型钢分会理事长、北京机械工程学会压力加工分会主任等职，主要研究方向为金属塑性成形介微观理论、大型锻件制造工艺、轧制原理与工艺、特殊钢与合金成形技术、特种成形工艺、金属层压复合材料技术、冷弯型钢技术装备研究等广泛领域，并卓有建树，研究成果曾获得国家科技进步二等奖等多项国家级、省部级奖项。

20世纪90年代初，韩静涛教授在国际上最先发现了金属材料成形过程中的裂纹自愈合现象，提出了金属材料内裂纹自修复理论并应用于工程实际。经过二十余年脚踏实地研究工作，这一理论和技术理念逐渐被科学界所广泛接受。他不畏艰难，勇于承接了国家“九五”技术改造重点项目“提速及高速列车车轮轧制工艺研究”这个烫手的山芋，实现了我国实心腹板提速与高速列车车轮的自主生产，为我国铁路列车历史性的“六次大提速”奠定了基础。他创造性地提出了金属塑性成形机理的“晶粒马赛克化裂解与重组”的唯象性模型，并通过粒子加速器的轰击观测证实了该模型的存在，给金属材料科学的发展带来了巨大的冲击，相关研究正在进行中。

韩静涛教授

韩静涛教授进入锻压行业并非兴趣使然，而是慢慢从科学研究的事业中找到乐趣的，现在的他已经进入了根据研究兴趣来制订研究课题的阶段。从被动参加科研工作到主动规划与构建学科领域，这种转变经历了一个漫长的过程。近日，本刊记者带着一颗敬畏之心，对韩静涛教授进行了专访。

匠心 求索未知领域

当被问及如何洞察行业发展需求、发现科研课题时，韩静涛教授笑道，这需要科研人员在非常熟悉本专业的同时了解更广阔领域的科学技术进展。譬如参加各类学术与社会活动，从参加工作开始，对于每场学术报告，不论是否和自己的研究工作相关，首先要尊重报告人的工作，虚心学习，坚持边听、边记、边思考，同时列出对自己和团队成员可能有启发的问题，与报告人交流，并在会后对每个报告写小总结。这首先是逼迫自己全神贯注地听每场报告，坚持下来，进步就很快，收获也很大。他坦言，开会就是学习，知识面在无形中拓宽了。韩静涛教授介绍，高校的材料学科分为材料科学和材料工程两部分，其科学研究的任务就是探索未知、创造新的技术，是高校科研工作的重点。理论研究通常都是非常基础的研究，很难出成果，需要相当的积累，需要试验手段和方法的突破，研究成本很高。国家应加大力度支持对国民经济发展有实际和重要作用的原创性研究，并给与足够的容忍。高校的科学研究工作应该以基础研究的突破和创新性技术研究为基础，这才是高校科学研究的价值所在。

北科大材料学院的材料科学与工程学科是从钢铁材料研究沿袭而来，基础非常雄厚，这是北科大的强项。韩静涛教授坦言，国内各高校的材料学科都有其长板与短板，我国材料界的几位泰斗级人物都出自于北科大，但该校材料加工专业的力学基础则相对薄弱。

众所周知，钢是由铁、碳两种元素组成的扩散性相变合金。在铁碳相图中，铁元素在经过727℃居里温度点时会发生重要的相变，人们仅对钢中的铁元素在727℃以上组织演化的作用有了点相对粗浅的了解，但是还远未认识其真实的内涵，对铁元素在该温度之下的演化规律则还基本上是一无所知。同时，人们对钢中碳元素在727℃以下的物理作用机理还知之甚少。即使在人类现有的认知水平下，钢在我们面前光怪陆离的表现都已经令人叹为观止了。所以，钢铁材料以其普遍性、可持续性，与人类和环境的适应性，仍然列为工程材料的首选，对其功能与特性的探索与开发尚有着无限的前途。随着人们对其介微观动静态演化机理研究的深入，将会发现其更多的利用价值，无论是科学理论上还是在实际应用上。

层压复合是复合材料领域应用最广泛的技术，也是韩静涛教授研究材料的重点开发方向之一。层压复合材料的性能优劣主要体现在界面复合状态与水平上，在多年研究工作的基础上，韩静涛教授提出了层压复合材料的“ZUX”理论，“Z”型复合是指两材料界面的化学成分呈断崖式分布，界面结合基本上是机械贴合，仅有较微弱的界面结合力。这种复合材料在进行后续加工时，略施加外力就会引起复合界面的开裂。爆炸复合技术仍属于这种复合等级。“U”型复合指两材料的复合界面具有一层未知组织形态的过渡界面，其特征是以极细小尺寸的硬脆相为主，界面结合力仍比较弱。“X”型复合则达到了真正的金属键梯度复合，有一相对较宽的化学成分梯度过渡区。10年前，韩静涛教授开发了“离心复合浇注＋热成形＋冷成形”复合的新技术，即先浇注第一层材料，在其完全凝固之前开始浇注第二层材料，以此类推，可以按照设计者的需要浇铸多层复合材料。韩静涛教授给我们展示的，是他们采用离心浇铸技术制备的15层防弹材料，经多道次轧制的最终厚度仅为2.7mm。用于替代传统的防弹钢材料，可使传统防弹钢板的面密度降低40%以上，并通过材料设计来产生多次应激高频振荡，将击中钢板上的弹头能量大部分消耗掉。如果应用在战略坦克、两栖装甲车、运钞车、船体等各类运载工具，以及特殊要求固定结构物上，可以大幅度降低材料自重，显著提高材料利用率和经济效益。

匠作 不断超越自我

韩静涛教授认为，目前的金属学理论表现出诸多的先天不足。第一，关于晶粒尺寸大小的描述与测度方法显然是不科学的，传统金相方法所观测到的晶粒横切面仅切割到晶粒的某处球冠位置，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实际晶粒。第二，关于珠光体片层间距的描述，珠光体是由薄片状铁素体和渗碳体相间隔组成的珠光体组织，类似于一本书。对于同一珠光体晶粒，从不同角度横切面切出的珠光体片层间距是不同的，最佳的横截面应当与铁素体片层垂直。但在金相照片上是难于获得的，所以我们看到的珠光体片层间距都大于实际晶体的片层间距。第三，在高温情况下，碳素钢的金属组织是奥氏体组织，由于我们无法对其进行有效的观测，都是将其加热到完全奥氏体温度后通过水淬来观测其组织，但此时我们看到的实际上是马氏体组织，用马氏体组织说明奥氏体组织的行为，显然不够科学。然而，可悲的是，我们仍然在用这些似是而非的研究手段进行我们的科学研究工作。

韩静涛教授的科研生涯是从塑性加工有限元数值模拟理论与技术起步的。20世纪80年代初，国内有限元模拟研究刚刚起步，韩静涛教授从刚塑性有限元的基础方程推导开始做起，1984年完成了国内第一篇三维刚塑性有限元模拟研究的学位论文。目前，韩静涛教授构建了从微观尺度(原子级别）到介观尺度(晶粒级别）再到宏观尺度(人类同视觉尺度）的研究体系，并在此基础上进入更为宏观巨系统，可将一个钢铁厂耦合在一起，从钢坯入炉，研究加热过程中的组织变化，轧制过程中的材料变形及组织性能等。这个系统里任何一台设备单一参数的微小变化，都会对整个系统造成干扰……。这个理念的研究是从原子级别的粒子动力学模拟到宏观系统仿真，与国际同行一起，引领着国际塑性加工领域数值模拟研究的前沿。

金属材料内裂纹自愈合理论与自修复技术，是韩静涛教授在国际塑性加工领域最早提出的理念和技术方法。传统的材料科学与固体力学理论都认为材料一旦出现了裂纹就是一个不可逆的物理过程。韩静涛教授在工程实践中发现了内裂纹自愈合的现象，提出了自修复的机理，并形成了大型锻件内裂纹自修复技术，随即应用于工程实践。在韩静涛教授的倡导和指导下，20世纪90年代中期始，国内外大锻件生产厂家逐渐采用了这项技术。

目前，位错理论仍然是金属塑性成形理论的核心内容，但是工程实践中的很多现象都无法用这一理论进行科学的解释，尤其是热成形过程。韩静涛教授坦言，在外力作用下金属晶粒究竟如何变化，这个问题至今仍是谜团。韩静涛教授提出了金属塑性成形机理的“晶粒马赛克化裂解与重组”的唯象性模型，为了有效地观测晶粒的变形与变位，韩静涛教授选派留学生与澳大利亚原子能中心、美国阿贡实验室和欧洲原子能中心合作，终于观测到金属晶体在外力作用下的变形与变位过程，取得了突破性的初步研究结果。基本确认：金属成形的主要贡献源自“金属晶粒的马赛克化裂解与重组过程”，而位错贡献仅占其中很小一部分。金属在冷变形情况下仍然会有晶粒长大的行为。

韩静涛继续介绍到，金属热加工，如锻造工艺的成功实施70%在于人的因素，30%依赖于设备。这与金属冷加工不同，也是目前热加工工程师资历越老含金量越高的原因，有经验的热加工工程师与技师大都具有非常强的现场应变能力，对工件的锻造温度、锻造变形量、锻造速度等都能有精确的掌控。他叹息道，国内热加工岗位的技术人员永远在变动，这与国外技术人员能在岗位上坚守几十年的情况不同，是一件非常堪忧的事。

匠人 践行产学研合作

材料加工工程专业是工科专业，离不开现场的实际操作与体会。由于种种原因，我们的教师逐渐脱离了工程实际，躲进了象牙塔。高等学校塑性加工领域的专业实验室逐渐被淘汰，教师和学生缺乏设备载体和实操经验，这成为当前高校人才培养和科学研究的短板。老一代教师中不少人很有现场实操的基础，并且科研工作经历丰富，韩静涛教授和他所培养的学生都颇受企业欢迎。当时的特点是，企业技术人员现场经验丰富，但由于接触工艺和使用设备单一，容易犯经验主义的错误，难于发现一些基本的工艺误区。而经验丰富的部分高校教师接触的工艺方法、设备种类比较齐全，曾经遇到过的问题各式各样，积累的解决方案也非常丰富，这些是一般企业技术人员所不具备的。企业和高校若能正视这些问题，通过优势互补，必能推动产学研用良性发展。

轧钢工艺是韩静涛教授经验最丰富、驾轻就熟的本行工作，下面的事例最能说明问题。五年前，酒钢为了提高企业技术水平，与韩静涛教授课题组开展了全面合作。韩静涛教授根据该公司三条生产系统的技术装备条件提出了一揽子解决方案，对碳钢薄板生产系统开发汽车用钢，对不锈钢生产系统开发双相不锈钢，对线棒材生产系统进行无孔形轧制技术改造。一年内，三个项目全部完成，全面提升了该公司产品与技术水平。

实心腹板火车车轮轧制技术是课题组具有较大影响力的项目之一。20世纪90年代以前，因铁路和车轮制造技术水平的限制，我国传统火车车轮的腹板位置都有多个圆孔。这种车轮在火车时速超过120公里时，圆孔周围便会产生裂纹，容易造成车轮开裂而引发严重事故。车轮成为严重制约我国火车提速的关键。当时，国家“九五”将其作为重点技术开发项目进行协同攻关，太原重机以废钢价格购买了加拿大一套废弃多年的二手设备，因价格昂贵没有购买相关技术资料，韩静涛教授临危受命参与攻关工作。与太重工程师们一道，共同完成水压机锻造工艺开发，负责车轮轧机改造与工艺开发的子项，提出了车轮轧制渐次成形法和差速轧制理论，为该生产线顺利竣工与实心腹板车轮的批量化生产奠定了重要的理论和工艺基础，开启了中国铁路列车六次大提速的征程。

目前，韩静涛教授团队正在研制下一代汽车发动机的核心部件－高压油管。近年来，雾霾天气愈演愈烈，已成为中国的头号环境公害，其中柴油汽车发动机排放已成为重要的源头之一。为提高柴油发动机燃油利用效率，减少污染排放，必须提高油管供油压力，降低油管压降。第一代高压油管采用传统冷拔方式生产，其内壁的皱褶与微裂纹使其耐压能力仅为160MPa以下，且内壁毛糙，压降很大，仅适用于欧I、欧II排放标准的柴油发动机。第二代高压油管采用带芯棒拉拔技术，使高压油管的耐压能力达到260MPa，改善了内壁毛糙程度，由日本臼井公司和德国曼内斯曼开发并形成全球垄断，适用于全球的欧III－欧VI排放柴油机。韩静涛教授的科研团队采用内外壁同时快速锻造方法，开发出可耐压400MPa、内壁镜面效果的第三代汽车柴油发动机油管，为开发欧VI以上排放标准的新一代汽车发动机夯实基础。韩静涛教授课题组研制开发的航天器弹射式空间展开系统弹射杆生产线、钢材表面无酸除磷成套技术装备、大型钢桥安全建设急需的新型U肋、1500MPa级四尖角高性能汽车方矩管等，这些研究成果在国际上都是独创并且非常有价值的，只有将这些难题突破了，才能破除国外发达国家的技术壁垒，从而引领世界工业革命。韩静涛教授所率领的是一支真正的科技创新团队。

最后，韩静涛教授语重心长地说道，由于种种原因，逼迫着科研人员做研究过于浮躁，缺乏踏实工作的精神，往往急于将处在实验室阶段的初步研究改造变成生产力，这是最可怕的，也引发了很多的产学研项目纠纷。实际上，科研人员应该在“家”里踏踏实实地将研究成果反复“雕琢”，至少经中试甚至成品后，再去工业界寻找合适用户，这时通常客户是非常愿意接受合作的。