西安交大院士与师生代表对话会上的我的发言

在交大107周年校庆之际，学校安排我与老师们、同学们见面和对话，非常高兴。

我1956年参加全国统一招生考试，被交通大学录取，分配在机械工程系金属材料及热处理（即现在的“材料学”）专业。当年交大正在迁校。我们是西安新校园报道上课的第一届学生。在交大五年的苦读和磨炼，为我一生的事业打下了坚实的基础。40多年来，无论身居何方，是逆境还是顺境，是失败还是成功，母校永远是我智慧和力量的源泉。我现在担任材料科学与工程学院名誉院长，这是母校对我的信任、鼓励和鞭策。

材料科学与工程一级学科包括三个二级学科，即材料学、材料加工工程和材料物理化学。西安交大的材料学学科可以追溯到1952年机械工程系的金相热处理教研室，以后又改为金属材料及热处理专业；材料加工工程则是同期设立的铸造、锻造、焊接专业发展和整合而成。西安交大是全国最早设立材料科学与工程学科的几所国家重点高等学校之一。

交大材料学科一直是很强的。我入学时，著名化学冶金和物理冶金专家、中国科学院学部委员周志宏是我们机械工程系的系主任。周志宏院士的助手徐祖耀教授后于1995年当选为中科院院士。1959年西安交大与上海交大独立建校后，周惠久教授担任机械工程系主任，他于1980年当选为中科院学部委员。周惠久院士的助手涂铭旌教授1995年当选为中国工程院院士。20世纪50年代和60年代毕业的校友中，金属材料及热处理至少有潘健生（1959年毕业）和我（1961年毕业）两人当选为中国工程院院士；材料加工工程（锻造专业）曹春晓（1956年毕业）、阮雪榆（1953年毕业）分别当选为中国科学院和中国工程院院士。我校材料学科一直是国家重点学科。1965年，由于科研成果突出，被誉为全国高校“五朵金花”之一。

下面，我简要讲一下材料科学与工程学科的发展动向，并且汇报一下我在“石油管工程”领域的做的一点工作。

材料是现代文明的三大支柱之一。新材料是新技术革命的基础和先导。国家经济建设和国防建设乃至人们的日常生活都与材料的发展密切相关。当今世界各主要工业国都把材料科学技术列为21世纪优先发展的领域之一。

凡参观过历史博物馆的人们，稍加注意就会发现，人类历史的发展与材料有密切的关系。各个时代都以相应的材料名称作为其标志，例如石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代等。进入现代科技馆，又可以发现与材料密切相关的技术，例如半导体技术、超导技术、光纤技术、纳米（材料）技术等。即使以芯片技术为核心的信息时代，也有人称之为硅时代。自古以来，材料一直是推动社会发展和科技进步的动力。

但材料真正引起人们的足够关注，是在20世纪50年代末。1957年10月4日，苏联发射了第一颗人造卫星，重80kg；同年11月3日发射的第二颗人造卫星，重500kg。而美国1958年1月31日发射的“探险者1号”人造卫星只有8kg重。于是，美国有关部门联合向总统提出报告，认为在科技竞争中美国之所以落后于苏联，关键在材料。在认识到材料研究的重大战略意义后，美国政府给予极大的重视。1958年3月18日，美国总统通过科学顾问委员会发布了《全国材料规划》，决定在12所在大学成立材料研究实验室，以后又扩大到17所，由国防部管理。1972年起转由美国科学基金会（NSF）管理。由此出现了多领域的综合性学科材料科学与工程。在国际上，这一学科的作用一直影响至今，并将继续影响整个世界的科技发展。

实际上，阻碍我国科学技术发展的瓶颈，往往也是材料。新材料与发达国家有很大的差距，传统材料的质量、品种和性能差距更大。例如不锈钢板、高性能石油用管、高质量汽车钢板和易拉罐铝板等还需要进口。而各行各业的对高效益、高效率、高效能的要求迫使结构材料最大限度提高其使用性能水平。燃气轮机效率与效能的提高，50%来自材料；飞机效能的提高，三分之二来自材料；汽车减重100kg，每升油多行驶0.5公里；石油天然气输送管的屈服强度由448MPa（X65）提高到690MPa（X100），材料费用节约30%，管道建设成本降低20%。

我在学校学的是“金属材料与热处理”专业，局限于金属材料。而现在的“材料科学与工程”所涵盖的内容，按属性可分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料四大类，而按使用性能则可分为主要利用其力学性能的结构材料和主要利用其物理性能的功能材料（如电子材料、光电子材料和超导材料等）。时至今日，不仅传统的金属材料、陶瓷材料焕发了青春，而高分子材料和复合材料等新型材料更是迅猛发展。人类已经跨进了人工合成材料的新时代。新材料的品种正在以每年几十万种的速度增长。

尽管新材料飞速发展，但作为传统材料的金属材料仍是目前用量最大、使用最广的材料，例如，在机械制造业，金属材料占95%左右（其中钢铁材料占90%，有色金属5%）。在我国国民经济很多领域，急待解决的大量材料方面的问题，绝大多数是传统材料方面的问题，特别是钢铁材料问题。

钢铁材料在20世纪三十至六十年代，就世界范围来说，处于最鼎盛时期。那时，钢铁是材料科学技术的中心。现在似乎有些衰退，主要是受“钢铁工业是夕阳工业”的误导。而实际情况是：钢铁材料具有生产规模大、综合性能好、易于加工、使用方便、性价比好和便于回收等优势。在可以预见的未来年代，钢铁仍将是占主导地位的工程结构材料。在很多使用领域，甚至可以说是必选材料。钢铁工业绝不是“夕阳工业”。(www.xing528.com)

日本1997年出台了举世瞩目的“超级钢”研究工程（STX-21）项目，为期10年，总投资1000亿日元。其目标是把钢的强度普遍提高一倍，寿命延长一倍。继STX-21计划之后，欧洲、北美和韩国又有类似项目启动。1998年10月，我国在“973”项目中，批准了“新一代钢铁材料的重大基础研究”项目，为期5年。上述举措，被认为是对世界最重要的工程结构材料钢铁的再认识，是“第二次铁器时代”来临的前期征兆。这些项目已取得的阶段成果表明，传统材料经过努力可以高性能化，使强度和寿命提高一倍。预期到2030年，钢铁材料的强度和寿命可再提高一倍。著名材料科学家柯垂耳（Cottrell）在题为“我们还将继续使用金属及合金吗？”的讲演的最后结束语中说道：“我们将继续使用金属及合金，特别是钢，我们的儿子和孙子也将会这样”。

“在发展新材料的同时，继续重视传统材料，最大限度地发挥钢铁材料的潜力”，这是西安交大材料学科的传统。代表性人物是我的老师周惠久院士。

周先生是西安交大材料学科的开拓者和奠基人。在他的领导下，西安交大材料学科在学科建设和学术思想方面独树一帜，形成了自己的传统和特色。

周先生的学术思想博大精深，“从服役条件出发”是周先生学术思想重要组成部分之一。周先生在其《金属力学性能》《金属材料强度学》等著作中强调指出：“从一种机件或构件的具体服役条件出发，通过典型的失效分析，找出造成材料失效的主导因素，确立衡量材料对此种失效抗力的判据（即相应的强度性能指标），据此选择最合适的材料成分、组织、状态及相应的加工、处理工艺，从材料的角度保证零件的短时承载能力和长期使用寿命，是材料强度工作服务于生产实践的主要内容”。周先生这里所说的失效抗力判据，在他的其他著作中又称为“服役性能指标”。后来我了解到，20世纪60年代初，美国的Cohen教授在提倡建立“材料科学与工程”学科时，为形象地说明这个学科的内涵，把材料的成分/结构—合成/加工—性质—服役（使用）性能画成一个四面体。前三者构成底面的三角形，后者是四面体的顶点。这与周先生20世纪50年代提出的“从服役条件出发”的思路有着异曲同工之妙。

建国初期，我国合金结构钢一直照搬苏联体系，以铬、镍为主，大部分钢种是苏联钢种的翻版。两国关系破裂后，进口铬、镍受到限制。1965年，国家经委发动“钢铁革命”，主攻方向就是用我国富产元素代替合金钢中的铬和镍。于是，以冶金系统为主，各行各业都在研究开发不用或少用铬、镍的新钢种。但是当时多数单位主要立足于“代用”。由于“代用钢”的综合力学性能仅是接近于原钢种，缺乏生命力，因此20世纪六七十年代搞的众多无铬、镍钢种大多数中途夭折，一些搞军用无镍、铬钢的技术人员，甚至受到处分。而我在这场“钢铁革命”中，从石油机械的服役条件出发，分析、研究了一批关键的、有代表性产品的失效判据，有针对性地研究开发了20SiMn2MoVA等10余种新钢种，把节约铬、镍与提高石油机械产品的质量和寿命结合起来，取得了良好的效果。这些钢种有强大的生命力，至今仍在使用，有的还纳入了国家标准。

四十多年前，周先生亲自给我们讲授失效分析时，就强调失效分析十分重要。以后，在他的许多学术报告中，又进一步论述了“失效分析是基础”的思想。

我参加工作后最早从事的工作之一，就是失效分析。从20世纪60年代起，我主持完成了四川输气管道爆裂、华北油田G105钻杆脆断、塔里木深井钻机大钩断裂等600多项事故的失效分析。在大量失效分析实践中，我和我的同事们提出和完善了“失效分析反馈”的思路，创立了包括全国钻具失效分析网、失效案例库、综合统计分析库和计算机辅助失效分析系统在内的失效分析与反馈闭环系统，使石油装备和管材失效分析在理论和实践上都有重大突破，失效事故大幅度减少。例如钻具失效事故由1986年的1000起左右，下降到1996年的250起左右，累计减少直接经济损失5亿元。这些成绩的取得，与周惠久教授等母校老师的教育分不开，也得益于周先生的学术思想。

1981年起，我的工作重点转向石油管材，参与创建石油管材试验研究中心和石油管材研究所，并在工作中总结实践、梳理理论，逐步形成了一个新的学科领域——石油管工程。“石油管工程”是机械工程、石油工程、材料科学与工程、工程力学、可靠性工程、信息科学与工程（含计算机技术）等多学科交叉的边缘学科。它把相关学科的理论成果和最新技术尽可能地运用于石油管的服役过程——即石油工程的钻井工程、采油（气）工程和储运工程，最大限度保障石油管使用中的安全可靠性和寿命，并且有效地降低工程成本。

以失效规律研究和失效的预测预防为中心内容的失效分析是“石油管工程”的基础，而提高石油管安全可靠性、使用寿命和经济性的综合研究则是“石油管工程”核心，其主要内容是在失效规律及失效反馈信息的指导下，进行石油管材料及材料强度、石油管结构强度与结构完整性、石油管螺纹连接密封机理与密封完整性、石油管腐蚀机理及防腐措施等研究，以及在上述研究成果指导下的石油管正确选择和合理使用。由此可见，“石油管工程”比较集中地体现了周先生“失效分析是基础”“结构强度与材料强度相结合”“强度、塑性、韧性合理配合”等重要学术观点，同时也体现了“发挥材料强度潜力”的思想。

周惠久先生学识渊博，高瞻远瞩，他的学术思想经受了长期工程实践的考验。他几十年前提出的学术观点，今天看来仍然那么严谨、精辟，仍然有着十分重要的指导意义。周先生的学术思想是我国工程技术领域十分宝贵的财富，是“石油管工程”的理论基础。

我担任材料科学与工程学院名誉院长后，提出了“新材料与传统材料并重”“基础研究与应用研究并重”“材料科学与材料工程并重”的学科建设方针，并且特别强调周惠久学术思想是一笔宝贵财富，我们要继承和发扬周惠久学术思想。我相信，只要大家齐心协力、统一认识，我们一定能创造西安交大材料学科更美好的未来。