李薰教授是我国著名的冶金物理学家,国际知名的钢中氢研究的开拓者和奠基人之一。他旅英13年,在学术和事业上取得杰出的成就,曾担任英国Shiffeld大学研究部负责人。在1940年获哲学博士,1951年又获得冶金科学博士学位。建国之初,应中科院部沫若院长的聘请,怀着一片爱国热忱,放弃了在英国良好的研究条件和优厚待遇,毅然回国,报效祖国和人民,擘划筹建金属研究所,三十多年如一日。他一贯坚持基础研究和应用研究并重,科研要为国民经济和国防建设服务的正确方向。他虽然先后担任沈阳分院院长和中科院副院长等职务,但仍兼任金属研究所名誉所长,时刻关心和指导我所的建设和发展方向,使金属所成为国内外知名的研究所。
我从1952年起,就在李薰教授直接领导下的气体组工作,其后的30多年我所从事的科研工作,也都涉及金属中氢和金属中气体有关的领域,而且一直受到李薰教授的关怀和指导。李薰教授是我尊敬的老师,如今他已去世近二十年,每当回忆他的音容笑貌,仿佛就在眼前。今天我们深切缅怀李蒸教授生前的业绩,具有非常重要的意义。就我所知,他对冶金物理化学和材料科学事业方面做出的重大贡献,有如下几个方面:
一、钢中氢的研究的开拓者和奠基人之一
众所周知,钢中含氢,可以产生气孔、白点和发裂等缺陷,并且能降低塑性。而在40的代以前,虽然许多学者,也曾发表过不少有关钢中氢的研究论文,但对许多现象的解释均不够系统深入。而李薰教授在英国于40年代初,在Andrew J.H.教授的指导下,从事钢中氢的研究,并且发表了一系列关于钢中氢的行为和影响的重要论文,例如:关于冷加工对钢中氢的行为和影响、钢中氢的溶解度、钢中缺陷发裂的成因、钢中除氢的规律、钢中含氢对相变特性的影响等。特别值得提出的是,李薰还指出,在一定条件下,使钢充氢,可以人为地制造发裂,从而证实了发裂的成因是氢。另外他还通过精心设计的试验,证明铸件不易形成发裂,而锻件容易发生,并只有当达到一定锻造比时才能出现裂纹。
以上重大发现,可以认为李薰教授是钢中氢研究的开拓者和奠基人之一。
李薰教授回国以后,在擘划筹建金属所的同时,又紧密与生产实际相结合,继续深入开展钢中氢的研究,取得了一系列重大成果:
[1] 冶炼过程中钢液含氢的变化
李薰教授为了提高钢的质量,将研究人员组成工作组,分赴鞍山、抚顺及本溪钢厂、结合电炉和平炉炼钢生产实际,研究钢液及钢锭中氢的变化规律。
⑴ 电炉部分
在抚钢,研究了电炉炼钢氢变化规律,选择了氧化法和不氧化法两种模式,随熔炼过程,取样定氢,结果证明,熔炼操作对钢液含氢有明显影响。加矿石粉和吹氧能降低氢含量,原材料石灰中水含量与出钢时氢含量成正比关系,这些结果,对当时指导生产实践具有重要的意义。
⑵ 平炉部分
在鞍钢,选择了对白点敏感的重轨钢进行试验。初期,于熔炼及注锭过程中,以及将轧成钢坯后的切头,切尾,用空心钻取样定氢。最初试验共14炉,171个试样,44个钢坯切头、切尾。结果表明从熔化完毕到纯沸腾中期,氢含量变化不大,纯沸腾中期到脱氧出钢,氢含量逐渐增加,出钢前达到最高值,出钢后在注锭过程中盛钢桶下取钢样定氢,氢含量又下降,这是由于钢液注锭过程中氢易逸出有关。用初轧钢坯的切头、切尾的取样定氢,结果表明锭头锭尾氢含量不相同,亦无明显规律。有时钢坯切头或切尾的氢含量甚至高出出钢时钢液氢含量,这说明钢锭中存在氢偏析现象。
为了深入研究平炉熔炼重轨钢对钢液含氢的控制因素,其后,又对钢液中氢的来源及其影响因素如:大气湿度、炉气中燃气生成的水汽的影响进行了深入的研究。所选试验炉型分别为150吨和225吨碱性平炉。共试验了53炉。除随熔炼过程各阶段取样定氢外,每一炉均随时记录当时的热工制度操作情况,记录下焦炉煤气和高炉煤气的混合比。在总结时,计算出各试验号炉气燃烧后不同阶段炉气中水汽分压,并和各阶段钢液氢含量对照,结果发现钢液实际含氢量[H]与炉气中水汽分压的平方根呈平行关系,并可用下式表示:
,式中 n=0.37-0.46,k—氢溶解度常数,
从而证明自钢液纯沸腾各期到脱氧出钢,钢中氢含量的控制因素,主要是炉气中水汽分压。
另外,还根据气象台的大气湿度数据,发现钢液氢含量与大气湿度关系甚微。以上研究,对弄清钢中氢来源有指导意义。本项研究论文发表于《金属学报》。
[2] 氢在退火钢锭中的分布
利用高铬型合金钢1Cr13、2Cr13在常温下不损失氢的特点,和建立了灵敏准确的半微量定氢方法,对退火钢锭中各部分取样定氢,然后按锭的不同部位含氢量绘成等氢线,从等氢线的图形,可以看出氢在钢锭中的分布的规律性,钢锭中氢偏析最严重区域大致与钢液最后凝固部位相符,从而否定了前人以为锭中氢偏析主要是由于相变而非凝固作用的说法。李薰的研究表明液相中氢溶解度远高于固相氢溶解度,促使氢不断从固相扩散到液相,使最后凝固部位的钢液含氢最高。此外,也必须考虑到结晶结构和内部缺陷的影响。如沿柱状晶轴方向的氢扩散速率比等轴晶区域扩散速率为大,而钢锭中心疏松区对于去氢则起阻碍作用。以上两项成果,无论从学术意义和生产实践都产生深远影响,也对提高我国钢质量作出贡献。为此,1956年获得了国家自然科学奖。
[3] 不退火钢锭中氢分布的研究
继退火钢锭中氢分布的研究以后,李薰教授又先后进行了不退火Я1钢和重轨钢钢锭中氢分布情况的研究。这类钢种对发裂,白点缺陷十分敏感,因此该类钢种的锭中氢分布研究有重要意义,由于未曾采取退火加热措施,锭中氢只能在加工时有少量损失其中常温可扩散氢,而充填于微孔隙及其它氢阱中氢,不提供一定的阱能是不易散失的。
两种钢锭铸锭后,沿中轴解剖成片状,然后顺序制成Φ12×30mm的小样品,用真空加热法抽提氢,热传导法分析,根据定氢结果,绘制成等温线,其后,研究人员按等氢区着色,从而对两种不退火钢锭中氢分布全貌,获得清晰的图景。
从Я1钢锭中氢分布来看,其分布规律十分明显,钢锭两端及边缘由于在冷却过程中氢向周边析出和向中心富集,从而使锭中心氢逐层增加,富集最严重部分也就是锭中心最后凝固部分,氢含量超过9毫升/100克,电炉钢液含氢一般只有5-7毫升/100克。可见氢偏析现象是由于凝固过程中氢在液固两相的分配受氢在两相中溶解度的制约,已知于熔点附近钢液极限溶解度约为30毫升/100克,而固态δ相铁中氢溶解度不足10毫升/100克,凝固相中氢受邻近钢液氢溶解度高的影响,不断向液相中析氢,从而造成锭中心氢严重偏析的结果。
不退火重轨钢中氢分布,共宏观规律性不及Я1钢锭中氢分布明显,但也真实地反映了亚微观不可扩散氢贮留于锭各部位的分布情况,锭的边缘氢含量最低,这是由于凝固时氢向锭周边析出,这亦是由于固相氢溶解度较低所致。锭中部氢含量5-6毫升/100克,相当于平炉出钢重轨钢液含氢量,而锭上是部由于有保温帽保温,锭中最后凝固部分,有若干个高浓度氢富集区,氢含量甚至大于9毫升/100克,远远超过出钢前氢含量水平,这一点和Я1不锈钢钢锭中氢分布是相似的,但也不尽相同。
国外曾有关于锭中氢分布的报导,如Hobson J.D等人,曾对大型低碳钢及低合金钢钢锭及锻件中氢分布进行研究,但由于取样太少,定氢结果,未说明任何规律,而李薰等人对不退火钢锭中氢分布的研究成果至今在国际学术界仍属创举。遗憾的是此项研究成果,由于特殊原因在他生前未曾发表,仅在1957年他去苏联科学院访问时,在一次学术会议上作过一次学术报告。
二、为我国国防建设作出了重大贡献
李薰教授曾经为我国原子弹首爆和第一艘核潜艇下水作出过重大贡献。早在1956年,李薰教授参加制订我国十二年科学发展远景规划,当时他担任国家科委冶金组组长,就提出我国应开展“两弹一机”的研制规划建议。五十年代末期,由于国际形势的变化,我国领导人考虑国防尖端技术的重大意义,要求着手研制“两弹”“一艇”,其后由核工业部与中科院合作,开展“08工程”和“09工程”项目的研究,“08”是指原子弹和氢弹,“09”是指核潜艇。在此背景下,金属所先后抽调了一百多名业务骨干和科研人员组成了两个研究室,即第十、第十五研究室,李薰教授是“08”和“09”工程在我所的总负责人,并兼任第十五研究室主任,该室共成立四个课题组,当时我任第三课题组长,主要负责“08”和“09”工程中有关的一切核燃料及包壳材料中各种气体氩、氢、氧、水等的测试方法研究,其中最难的要数U235中氩的测定方法,因为氩是铀冶金中应用的保护气体,它能吸收中子,对铀中氩含量必须严格控制,否则将影响核反应中产生的链锁反应。由于这一攻关任务十分紧迫重要而艰难,中科院新技术局指示金属所、化物所、地质所等三所合作,各自发挥学科专长,并由金属所牵头,承担这一任务。金属所负责铀中氩的抽提与传送,化物所用色谱方法分析,地质所用纯化分离法集气、质谱分析。三所合作,用五个月时间,先完成了真空熔融气相色谱法定氩,解决了核工业部委托的铀235及铀238中氩的测试任务。通过地质所提供的标样黑云母标定,证实委托试样中氩小于规定极限值。随后又与地质所合作,用真空熔融纯化法分离质谱法测定铀中微量氩,结果与前法完全一致。从而出色地完成了核工业部原子弹首爆前一项攻关任务,解决了我国原子弹首爆前的一个关键问题。
其后“09工程”又要求测试核燃料芯件二氧化铀中水份,以及包壳材料锆-2中氢、氧等气体,先后创建了毛细陷阱氢化铝锂法及高温真空加热法,均能按时完成任务。
“08工程”(即原子弹和氢弹的突破及武器化工程)包括了六十年代金属所第十五研究室所取得的三项成果:
1、“08工程”核燃料元件生产的流程与定型;
2、铀中微量气体元素(氩、氧、氢)的测定方法;
3、真空精炼过程铀中杂质去除。
“09工程”(即我国第一艘核潜艇研究设计)包括了六十年代金属所第十研究室取得的科研成果:“09工程动力堆二氧化铀燃料组件”。
“08”、“09”项目于1978年获全国科学大会奖。1986年“08”获国防专用国家级科技进步特等奖,“09”则获国家级科技进步特等奖。遗憾的是李薰教授已不幸于1983年去世,未能分享获此殊荣的喜悦。
三、重视测试新技术并创建我国金属中气体分析测试基地
我国在建国初期,钢中定氢、定氧技术都是空白。李薰教授在金属所建所初期,除领导全所科研工作外,还直接领导冶化研究室和气体组,培养青年科研人员,为提高钢质量,建立我国第一套真空加热定氢仪、第一套真空熔化法定氧仪,测定钢中氢、氧含量,还赠送定氢仪给鞍钢中央试验室,并派我常驻鞍钢研究平炉钢液氢含量变化,同时协作推广定氢方法,以后这两项工作在全国得到普遍推广,为我国冶金事业提高钢质量作出重要贡献。六十年代以后,由于国防建设需要各种新型材料,如钼、铬、铌、钛、锆等难熔金属、以及核燃料铀与二氧化铀等都迅速建立相应的气体测试新技术。
七十年代,为了能在生产单位炉前控制氢含量,在李薰教授的直接指导与支持下,金属所又首先在国内建立快速定氢,脉冲定氧新技术,并与炼钢厂协作,在全国重点炼钢厂推广应用,收到良好效果。“金属中气体分析”(定氢、定氧)1978年获全国科学大会奖。辽宁省科学大会奖等。
七十年代末,我国军工工业用飞机框架所用铝合金锻件出现本质不明的园片状缺陷,最初以为是氧化膜,经过滤铝液无效,从而怀疑可能是氢引起的,但当时国内尚无固态铝定氢技术,其难点在于铝表明极易和空气中水汽反应,瞬间生成表面氢,与痕量的体内氢相混,干扰很大。另一个难点是国外所有测固态铝中氢的装置无一不用有毒的汞作工作液。李薰教授对该项任务十分关心,指定我负责建立固态铝测氢的技术,经过约两年的研究试验,终于建成了国内第一套无汞真空套管气相色谱固态铝测氢仪,获得了多种铝合金的体内氢数据,并和兄弟室协作,证明了片状缺陷成因是氢。先后通过沈阳分院、冶金部鉴定,获得中科院科研成果三等奖。
金属所的气体测试技术,在李薰教授指导和关怀下,不断创新,先后发表论文及研究技术报告32篇,首创新的测试方法约40余种,自制各类仪器24台套,为全国兄弟单位培养技术人员百余名,获得国家级及院、部级奖多项,金属所成为全国知名的气体测试基地。
四、关注金属中氢的研究新动向
早在1947年Burton及Sykes等人,即已指出钢锭中氢的分布的不均匀性,但当时由于定氢手段限制,测氢灵敏度较低,取样数量少、重量大,不能确定钢锭中氢分布规律,直至五十年代初,李薰教授及其同事系统地对重轨钢坯,1Cr13、2Cr13退火钢锭及Я1钢和重轨钢不退火钢锭进行剖锭取样定氢,每锭中剖面取样数百甚至千余个样品,井然有序地依次用灵敏的定氢方法获得钢锭中氢分布的图景,证实了钢锭中氢的分布规律和偏析现象的存在。
但是自七十年代以后,材料科学与工程界再次掀起研究金属中氢的热潮,且不断向更深层次发展,昔日所发现的氢向局部富集,其研究手段还只是宏观的,如今被人们理解的微区氢富集,往往指的是微米级甚至埃级范围。
现代氢脆理中以Troiano为代表的论说,发展了氢脆理论,认为造成氢致滞后破坏的原因,是由于氢向各类阱位扩散,特别是高度应力集中区,由于富集达到一定临界浓度,就会在金属内部形成裂纹,如局部氢浓度过低,应力水平再高,裂纹将停止发展,直至局部氢浓度又达临界值,才能爆破第二根裂纹,如此,周而复始,裂纹不断扩散,这就是所谓内部氢脆。
其后,Nelsen、Oriani等人将上述应力集中论应用到外部氢脆。他们认为外部氢脆相对地连续,裂纹成核只距裂纹前端几个原子远,并受裂纹前端最大应力的影响。
其后,Kikuta利用内耗测氢技术,发现氢扩散并偏析于位错附近,由于冷加工使位错增值,氢扩散速率急剧下降,氢被吸引到范性应变场附近,冷加工产生的应变场与位错密度有关,冷加工会增高内耗试验的冷加工峰,降低Snoek峰,从而说明氢从间隙位置群体滑移到位错位置。
在李薰教授的关心与支持下,从1981年起,为了深入开展金属微区氢浓度内在规律,通过文献调研,我提出课题可行性论证报告。得到他的赞同。通过两年多的研究,建成了国内第一台连续式CO2激光微区测氢仪。经过反复试验,1984年取得了可喜的结果。完成了方法的标定并获得较高的检测灵敏度。遗憾的是李薰教授在取得此项研究结果之前,已于83年去世,实令我感伤不已。
五、严谨学风与崇高品德
我于五十年代初期来所,就在李薰教授兼任课题组长的领导下工作多年,以后到了六十年代,我虽然担任了课题组长,但仍然是在李薰教授兼任研究室(15室)主任的领导下工作。由于长期接受李薰教授的教导和帮助,他的一言一行都潜移默化的影响着我,使我懂得了怎样做人、怎样做科研工作,一步一个脚印的前进,逐步使我锻炼成为一个能承担多项国家攻关科研任务的科研人员。煦煦春阳,师教难忘,我所以有些许成就,都是与李薰教授的教导分不开的。今天李薰教授离开我们已近二十年,但他的严谨学风和崇高品德仍然令我记忆犹新。现在仅举其荦荦大者,有如下四项:
⑴学识渊博虚怀若谷
李薰教授1952年回国,出任金属研究所所长,建所之初,为了培养一支能攻坚的科研队伍,首先要提高科研人员的理论基础。他经常邀请国内著名学者和专家、如苟清泉、赖祖涵等人来所讲授物理化学、统计热力学、量子力学等课程,身为一所之长的李薰教授,不仅和青年科研人员一起听课,而且一起参加考试,同时公布考试分数。他的这种以身作则,虚怀若后的坦荡胸怀,激励青年科研人员更加自觉的奋勉上进,积累深厚的科学基础,为金属所培养了一批高素质的科研队伍。他学而不倦,治学从严的精神,带动了全所,至今仍受到人们的赞颂。
⑵ 疾恶如仇反对弄虚作假
李薰教授疾恶如仇,反对弄虚作假,提倡严肃,严密的学风。他对那些处理科学数据不严肃,不科学的科研人员,经常提出警告。偶尔有个别科研人员,敢于弄虚作假、伪造数据,李薰教授获悉后,立即专门组织人员进行调查核实,为此还曾召开了全所助研以上科研人员大会,由于此人态度恶劣。会上当场宣布对他的严厉处分。此事在全所引起极大的震动,在李薰教授的言传身教下,金属所全体人员都自觉遵守科研纪律。
⑶ 学风严谨一丝不苟
李薰教授治学严谨,一丝不苟。回忆我来所不久,写了一篇关于平炉熔炼过程中钢液含氢变化的论文,请他批改。可能我写的论文水平与他的要求差距较大,他多次要求重写,反复修改,一直写到第七遍,才算最后通过。他认为科学论文要经得起推敲,不能留下一点瑕疵。由此可见他对青年科研人员要求也是极为严格的。这件事使我受到极为深刻的教育,以后再写论文时,坚持严肃认真,字斟句酌,直到自已认为完全满意时才拿出去。经过几年的学习锻炼后,当我在撰写《氢在液态铁、镍、铁-铜及铁-铜-镍合金中氢溶解度》的论文时,请他审阅,竞然一字未改,一遍成功,并推荐投稿《金属学报》发表,当时联想到他最初对我的严要求,实际上是培养我的严谨学风,其用心良苦,使我终生受益匪浅。
⑷ 鼓励创新博采众长
李薰教授是一位出色的科学带头人,他经常勉励青年科研人员要做“老祖宗”的工作,其用意是鼓励创新,不要模仿和重复前人的工作,鼓励青年科研人员树立雄心壮志,要大胆探索,有所发现,有所创造,工作才有意义。有一件至今令我难忘的小事:当时所内原始的定氢仪,必须将加热钢样释放的气体,用汞重达15公斤的手提汞忒氏泵压缩到系统外分析,由于汞瓶太重,我想利用大气压有760mm汞柱的原理,改为自动压缩,岂不省力?我的建议当即得到李薰教授的支持,但后来因被压缩气体容积缩小后压力超过大气压而未成功,我感到很失望。但李薰教授对我并未批评,反而鼓励我不要气馁,继续改进工作,使我深受感动。后来我在鞍钢和另一同志合作,将系统外分析改进为系统内分析,获得成功,以后所内的其它定氢仪也相继改为系统内分析。从而取消了手提式汞忒氏泵。由此例说明李薰教授鼓励青年人的创新、博采众长的方法是完全正确的,他确实是一位出色的科学带头人,永远受到我所科研人员的深切怀念。
六、最后的遗愿
1983年3月,李薰教授不幸去世,在他生前有两大遗愿:
⑴ 一定要去攀钢和包钢考察钢铁生产情况。因为这两大钢铁基地所生产的钢,都不易生成白点等缺陷,其原因是攀枝花铁矿含有钒元素,而包头铁矿含有稀土元素,这两类元素都容易和氢生成稳定的氢化物,从而抑制了生成白点的敏感性,为此攀钢重轨钢取消了缓冷工序,因而降低了成本。李薰教授在1983年3月,抱病前往攀钢,然后再去包钢进行考察研究,但当去攀钢途经昆明时,由于急性胰腺炎发作而不幸去世,遗愿未遂,深为痛惜。
⑵ 李薰教授在1983年10月年满70岁,他计划在70岁退休后,回到沈阳金属研究所,潜心编写一部专著,将自己所取得科研成果,系统地编写进去。可惜这一遗愿又未能实现。
以上两大遗愿未能实现,不仅是李薰教授的千古遗恨,而且也是我国冶金科学界一件无可挽回的重大损失。李薰教授鞠躬尽瘁,遗愿未酬,至今犹令人感到痛惜不已。