欢迎您登录科学中国人官方网站!!
新浪微博|网站地图|联系我们
打铁更需自身硬

来源:  发布时间:2021-09-27

——记中北大学材料科学与工程首席学科带头人张治民及其创新团队

吴 彪

 

 “我们其实就是一群‘打铁’的!”张治民教授的普通话里带着浓浓的晋南口音,说这话时嘴角微微上扬带着笑意,却是一脸的认真。而实际上,今年65岁的张治民是“兵工七子”之一的中北大学材料科学与工程首席学科带头人、享受国务院特殊津贴专家、全国优秀教师、国防科技创新团队带头人,国家科技进步奖二等奖、何梁何利科技进步奖、中国兵工学会科学技术特等奖等荣誉获得者……

扎根三晋大地40余年,张治民潜心于金属塑性成形理论和技术的创新及科研实践,从一名初出茅庐的大学生成长为这一领域的领军人,在艰苦卓绝的“强国强军”路上攻坚克难走到今天。他矢志教育,在一张白纸上绘制蓝图,一手搭建起的中北大学塑性成形工程专业,如今已成长为一级学科博士点,为国家和地方输送了数千名优秀的本硕博工程技术人才;他献身科研,创建起的科技创新团队,从山西省集成精密塑性成形工程技术研究中心(1999),逐步升格为镁基材料深加工技术教育部工程研究中心(2007)、国防科技工业精密塑性成形技术研究应用中心(2008)、镁合金关键技术及工艺国家地方联合工程研究中心(2011);他锐意创新,在轻质复杂构件的精确成形与形变强化相关理论和技术方面取得了多项突破,开创性地将铝镁合金应用于大型高强度复杂构件的制造,在国防装备现代化及地方经济建设等方面都作出了不可磨灭的贡献。

尽管如此,张治民依然低调地总结自己——一个“打铁”的。

世间真正的道理都是质朴无华的,不需要修饰和润色。金属塑性成形,过去叫作锻造,虽然看上去像个粗活,其中也涉及深奥的自然科学原理和非常复杂的技术难题,越钻研就会觉得里面的学问越深。王强教授曾是张治民的学生,如今已成长为全国模范教师。回忆起当年第一次听到导师说自己是“打铁的”,他也曾哑然失笑。“别人都想方设法把自己的专业说得高端大气上档次,可我们张老师偏偏选择朴实直白,从不玩虚的假的。”而在此后跟随张治民一起奋斗的20多年中,他也早已承继了导师的治学与处世之道。“张老师是想告诉我们,无论是‘打铁’、‘打铝’还是‘打镁’,万变不离其宗,本质只有一个。”王强总结道,“那就是——认认真真做事、踏踏实实做人。”

锻造虽然是一门古老的行业,但在今天仍然是国家建设不可或缺的基础工程技术之一,随着时代发展而不断创新。在此过程中,必须有理论创新、技术创新和装备创新,而与这些创新需求相适应,需要我们不断提升自身的能力。这正印证了张治民经常向弟子们提到的那一句中国老话——打铁更需自身硬!

 

万丈高楼平地起

 

张治民1956年出生于山西省芮城县一个偏远的村庄里,和那个时代农村里成长起来的同龄人不同的是,他在艰苦的生活条件下,极度渴望着用知识改变命运。1977年恢复高考的第一年,张治民就考入哈尔滨工业大学锻压工艺及设备专业,成为恢复高考后的首批大学生。毕业之后,为了回报乡梓,他选择回到山西,来到太原机械学院(中北大学前身)任教。

金属塑性成形是机械制造领域中最基础、最古老的工程技术之一,在一定程度上反映了一个国家的工业水平。在国家快速发展的背景下,原兵器工业部众多企业都急需塑性成形专业的人才。于是,筹建兵器行业塑性成形专业的重任便落在了来太原机械学院工作的年轻的张治民身上。

这是一项充满挑战的艰巨工作,尤其对于刚刚毕业走上社会的张治民而言更是如此。在学院几位老先生的帮助下,他经过阅读大量的国内外文献,花大力气调研了整个行业在国内的现状,大到发展规划,小到购买一张办公桌,从基础建设、设计图纸、订购实验设备到组装调试,每个环节张治民都亲力亲为、自己动手。研究新的技术、新的工艺,就需要开发新的模具、新的工装、新的设备,在这个过程中,他克服了大量的技术难题,反复改进,不断调试,在学校和同事的支持和帮忙下,建成兵器行业首个塑性成形专业。

时间进入20世纪90年代,精密成形技术在工业发达国家已得到广泛应用,通过与先进工艺设备、检测手段配合,已形成不同档次的精密成形自动生产单元,并普遍取代了传统的工艺及设备,而同期我国的技术发展还在缓慢的爬坡阶段。

1992年,张治民获得了公派出国的机会,作为访问学者来到了日本横滨国立大学。尽管早有心理准备,但是日本先进的加工设备与成形技术还是让他大吃一惊。“那个时候,日本的生产自动化已经基本实现了,生产车间的工序大多是由机械手来进行操作的。”张治民回忆道,除了生产过程的自动化之外,其塑性加工构件的精细程度也给他留下了深刻的印象。

日方先进的技术水准和严谨的工匠精神深深震撼了张治民,同时,他表现出来的专业能力和探索精神也给日方留下了极好的印象。学习期满之际,日方的教授热情地挽留他在日本工作。面对比国内高出一筹的研究氛围、视角、软硬件条件,以及对于个人未来的发展更广阔的空间,张治民并没有犹豫,还是坚定地选择了回国。因为他内心深处只有一个信念,尽快将先进的技术带回祖国。

中国本来是世界上最早拥有锻压工艺的国家,但是由于历史和现实的原因,我们这项古老的技术却远远地落在了西方国家的后面。回国后,面对兵器行业老旧的锻造车间和落后的生产工艺现状,张治民看在眼中,急在心头。针对这些问题,他决定以解决在锻造生产中存在的高能耗、高污染、高成本的问题为突破口。

传统的钢铁热锻时加热温度高达1100℃到1200℃。“一砸火星四溅,遍地铁渣,到处散落着废弃的边角料,不仅污染环境,更会造成资源的浪费。”张治民解释道,“如果把原来的温度降低一些会怎么样呢?如果少了200多摄氏度,氧化皮就会减少很多。同时,能源消耗相对较少。”于是,金属温成形的概念逐渐在张治民的心中清晰起来。

虽然温成形的技术优点有很多,但想实现却异常困难。最大的瓶颈就是由于温度降低了,需要的变形力会不会大幅增加?模具的使用寿命会不会大幅度降低?他带领团队开展了大量的基础研究,以难变形的高碳高强合金钢为研究对象,从金属变形能力、微观组织特征以及变形后性能指标等多方面开展实验分析,明确了温成形的科学内涵,固化了成形温度范围和工艺路线,研究开发出了具有隔热润滑作用的特种润滑材料和技术以及能有效降低成形力的省力挤压新工艺,结果表明:模具的精确定位提高了成形的精度,润滑条件的改善有效降低成形力、提高了模具寿命,从而使能源与原材料消耗大幅度减少。

金属温成形理论的创新带动了新技术、新工艺的诞生,同时催生出新的模具与设备。经过几年的努力,这一创新技术终于从理论走向了现实:某种大规格炮弹的毛坯壁厚差从10毫米左右减小到不足一毫米,塑性成形得到的齿轮竟然无须再加工齿面就能满足实用要求……

张治民从来都不会满足于仅仅在实验室里做出漂亮的样件,他一直强调,材料科学作为一门应用性学科,新成果必须从工程实际中来还要回到工程实际中去,才能产生更多的社会效益和经济效益。他希望自己的科研成果能够迅速应用到祖国的航空、航天、国防等装备制造领域里去,为祖国的强大起到立竿见影的效果。

“张老师对我影响最深的和我自己体会最深的,就是他不辞辛苦地拿着自己在实验室研制的各种样件,到各地企业去交流合作、去推广。”王强回忆说,“要知道,这些样件重则几十公斤,轻的也有近10公斤。张老师的做法更加强化了我们对于理论创新要结合具体工程需求、要解决实际工程问题理念的理解。”

“因为通常计算机模拟出来的结果,或者一堆实验数据,很难让企业立刻接受和认可,我们就拿出实际的产品给企业看,让技术实物化,这样更能得到企业的信任和行业的认可。”张治民解释道。也正是这种不遗余力的求实精神,让他的创新团队“万丈高楼平地起”,一改当年的一穷二白、粗放简陋的实验条件,取而代之的是拥有自主开发的1250-315-315多项数控加载和1250-40TM旋转挤压等成形实验设备以及具有旋转挤压功能的热模拟实验机、电镜、X衍射仪、疲劳试验机等测试分析仪器。为科学研究工程化验证提供了强有力的支撑,张治民的科研团队也成为塑性成形领域的一块“金字招牌”。

 

要为国家做实事

 

在同行眼中,敢想、敢干,总能干成——这成为张治民贴在别人心中的3个标签,经过连续努力攻关,他解决了不少“难啃的骨头”。而在他的内心深处,站在时代的前沿和高点,紧抓关键技术的攻关、集成,为国家解决实际问题,这是他对自己的一贯要求。

武器装备的水平直接影响着一个国家的国防实力,而武器轻量化一直都是武器研发过程中一个重要的课题。武器的重量减轻了,机动性和战斗力都能增强,对于提高国防力量的重要性不言而喻。几年前,某新型装备由于超重一直未能定型,就在一筹莫展之际,在一次关于各系统减重的研讨会议上,多数方案只能减重十几公斤甚至几公斤,张治民提出传动行动构件的“以铝代钢”方案,他语惊四座:“我可以减重400公斤!”

铝合金的密度只有钢的1/3,但是高强铝合金的焊接性能不好,无法像钢材那样几个部件组合起来焊在一起成形,为满足苛刻的服役条件,铝制轮辋必须整体锻造出来才行。这又是一次前所未有的挑战,用铝合金制作战车的轮毂轮辋在国内外同类装备上都没有先例。

“我敢提出这个方案,原因是在此之前,我们研究轮毂变形的过程中间,怎样使它的强度、韧性同时提高,也做过一些研究与实验。”张治民如是说。很快,新型战车铝合金轮毂轮辋的研制迅速展开,然而好想法与好基础并不等于水到渠成,研制进展得很不顺利。

军令状已经立下,3个月后要拿出合格的产品。时间紧、任务重,此情此景,在外人看来,挡在张治民团队面前的是一座难以逾越的高山。而在张治民心中,眼前就算是一座塑性成形的“珠穆朗玛峰”,他也要率领着团队风雪兼程,勇往直前,站上它的顶峰。“困难就是被用来克服的嘛,办法总比困难多!”每次开会前,张治民都会给大家鼓劲。在他看来,在科学的道路上,有时候就是要打破常规,突破习惯性思维,另辟蹊径,说不定就能找到光明的前景。攻关,攻关,再攻关!张治民天天跟团队成员在一起,从工艺技术上寻求突破。面对着横亘在面前的重重难题,团队没有一个人叫苦,没有一个人要求特殊化,几经波折,终于按期完成了这项艰巨的任务。成形的高强铝合金传动行动构件经受了高寒、高温、高盐等恶劣环境下的多项严苛检测,各项性能指标完全合格!新型轮式战车的传动行动构件因此实现减重超过60%,一下子解决了该新型装备定型批产的大难题。

高强铝制复杂构件的整体塑性成形为我国武器装备轻量化开创了新的途径,具有划时代的意义,也为张治民团队赢得了国家科技进步奖二等奖的荣誉。2015年的金秋,装备新型铝合金轮毂轮辋的国产新型战车隆隆驶过天安门广场,接受了党和国家的检阅。“九三阅兵”那天,团队中的王强教授作为科技教育界的代表受邀现场观看了阅兵仪式。“当看到装备有我们团队成果的战车经过时,心情真是无比自豪,眼泪都止不住要溢出来了!”他激动地说道。

前后十余年间,张治民团队先后研制生产出60余种满足高冲击、大承载能力或高转速服役要求的复杂铝制构件并得到应用,“以铝代钢”的构想取得了累累硕果。

获奖之后的张治民并没有躺在荣誉簿上沾沾自喜,在他看来,所有的荣誉只是对他工作的鞭策,他和他的团队早已快马加鞭,加快开展了另一项高难度技术的研发工作——镁合金的均匀强韧化与应用研究。

镁合金是最轻的金属结构材料,其密度只有铝的三分之二左右,是装备轻量化的又一重要用材,也代表着该领域的未来发展方向。但是镁合金较低的强度并不能满足重要构件对强度和疲劳寿命的要求,变形能力差也是制约它推广应用的另一个难题。

“我们大概从2000年的时候就开始琢磨这个事情,经过近20年的研究,真正应用上了还是最近这几年。”说来简单的几句话,充分说明了从想法到产品再到应用的难度,其中的历程更蕴含着千辛万苦。张治民带领团队进行了无数次的实验,才逐步找到了短流程剧烈塑性变形提高镁合金强度和韧性的方法,并且不断完善和优化,首次整体成形出最大尺寸达到一米六的国内外最大稀土镁合金内环筋锥形壳体件,均匀强韧化效果好,成为某装备轻量化的首选产品,并已研制出大型镁合金复杂构件,强度达到500MPa以上。团队先后研制生产出40余种高性能镁合金构件,用于国防等高端装备,大幅度提高了其战技水平。

“我国的汽车、高铁,尤其是天上飞的飞机、卫星,这些装备都是迫切要求减轻重量的,正所谓‘一克重量一克金’。如果我们能把镁合金大规模用起来,这将是中国的材料战略发展的一大突破。”张治民对于镁合金的未来充满期待。

 

锻造精彩人生

 

风云多变,追求不变。张治民从来没有把教书育人仅仅当作一项养家糊口的工作,而是视为了自己生命的一部分。自1982年在中北大学任教以来,40年时间里,他都扎根于这片沃土,呕心沥血,为国育人,为党育才。他始终认为,一流的仪器设备可以购买,一流的科研平台可以打造,但离开一流的创新人才,这一切都将是空中楼阁和无源之水。如今年过花甲的他依然工作在教育一线,亲自给本科生讲课,亲自指导博士硕士研究生,在科研的第一线和年轻人摸爬滚打,同甘共苦。“能干就多干点,干不动了就指导指导他们年轻人。”在他看来,把专业知识的课堂教育与科技创新的研究实践结合起来,这是培养优秀人才的不二法门。努力促进这种结合,尽快培养既具有扎实理论基础又具备创新实践能力的优秀人才,是他目前最大的工作动力。

“科研与教学相辅相成,缺一不可”,这是张治民一贯的主张。如果想开创出塑性成形的全新局面,人才队伍建设是学科长远发展的一项基本工作,要培养出更多的青年才俊来才行。他就是这样坚定地走在自己的既定道路上,同时他认真严谨的治学态度和谦虚平和的人格魅力也感染并影响着他的学生一起走上了这条奋斗之旅。

张治民讲课风趣朴实,最爱用简单的事物和大白话来阐述复杂的问题。他说,塑性成形的一个最大好处,就是同样一种材料,用不同的工艺以后,做出来产品的形状和性能是不一样的,合理的成形工艺能让最终的产品具备理想的韧性和强度。这个就像包饺子一样,材料经过反复的锻造,实际就像是揉面的过程,怎么能把面揉得比较均匀一致,后边做出来的饺子味道才能更筋道。他还把易变形的钢材比喻成精细小麦面,好捏合,而难变形的镁合金则像粗糙玉米面,不好捏合。张治民简单直白又幽默的言语让枯燥的理论课成了学生的最爱,激发出他们在专业道路上钻研下去的热情。

张治民希望自己能够发挥好“传帮带”的作用。所以,他十分注重实验室科研平台的建设,希望能够将研究中心打造成为扎根山西、面向全国的塑性成形领域的人才基地。他的治学严格是出了名的,他对学生的要求只有两个:一个是踏实,一个是能吃苦。他反复强调,做学问绝对不能浮躁,不能一知半解!同时,他还非常注重培养学生的独立工作能力,“很多事情必须亲自动手,才能观察到实验过程中发生了哪些变化。通过动手,边学习边领悟其中的道理,如果你不让他亲手去做,他永远都感受不到”。

古话说,“璞玉成器之道,其琢其磨”。一个学生的成长成才成器,就像一件精美的玉器必须经过上百道工序雕刻和打磨,而作为导师,就是这背后手执刻刀的工匠。在过往中,张治民深切地感受到理论要和工程实践相结合的重要性。“没有工程实践经验,完成科研项目要走很多弯路。”几十年工程实践的砥砺,对他的教学和科研产生了深刻的影响。即便是在最繁忙的阶段,他仍然坚持教学。他常教导学生:“做研究、写论文不能仅仅是为了拿到学位、获得职称,你的科研成果是要运用到实践中去的,来不得半点马虎,理论和技术都要经得起实践检验。”如果达不到要求,张治民就会毫不留情地给予批评并指导改进。

没有最好,只有更好,“往往多次试验之后会得出一个比较合适的参数。学生总爱说这是最佳参数。我就说不对,这只能算是较为合理的一个参数!”张治民时刻鼓励年轻人在科研上要有永不满足的劲头,并且以身作则。至今,他仍坚持每天读书提高自己,甚至还会插上附注、做读书笔记,正所谓“好记性不如烂笔头”,而一有收获,他就会同步与学生分享。

虽然表面上严厉,但他同时敢于打破条条框框,敢于给年轻一代施展的空间,敢于用大视野来培养人才,这就是张治民的管理哲学。虽然身为研究团队的核心和学科的权威,但是对于团队里的同事及梯队里的年轻人,张治民始终保持着开放和宽容的胸怀,满腔热忱地帮助和扶持他们。在每一次的科研例会上,他总是要求每位成员各抒己见、畅所欲言,充分发表自己的看法。当大家出现观点和意见不统一时,他也不会搞“一言堂”,轻易下论断,而是要求拿出第一手数据来说话。在很多项目中,他都不拘一格起用年轻人,使他们得到了锻炼,很多人都在关键岗位上发挥着重要的作用,取得了令人瞩目的成绩。在背后,张治民从来不掩饰自己对团队这些年轻人的喜爱,“他们既聪明,又努力,那股拼命的劲头总让我想起自己年轻的样子!”

在张治民看来,科研永远没有止步的那一天。他天天都在思考学科领域里的发展问题,在现有材料的基础上,如何通过塑性加工以后使它的性能更高,如何将能耗降得更低,如何把生产环境搞得更好,如何能让制造工序更短,制造的成本能不能更经济……他反复强调,科学研究不能只是在实验室里纸上谈兵,或者仅仅是写在论文里的一个理论成果,最后一定要把它落实到生产工艺当中去,要真正在生产线上实现。这说起来容易,但真正做起来的话,要做好多好多的工作。

“真正要把一项技术、一个材料,从实验室的样品最后成功做成一个成熟的产品。这里面要经历千辛万苦,过程实在是太复杂了,我们能够坚持下来,确实太不容易了!”一向不言辛苦的张治民在回顾团队的产学研历程时也禁不住感慨, “项目成果的取得,从来不是一个人的智慧所能推动的,而是凝结了团队多年心血的结晶。整个团队薪火相传的共同努力才是成功的关键。”张治民常说,塑性成形是一个团队合作的行业,哪个环节出了问题,都会让所有人的努力前功尽弃。他的感叹正是中北大学创新团队20多年来风雨如磐,砥砺前行的缩影。

科研是条单调而乏味的漫长道路,在过往的科研创新和技术攻关经历中,张治民和他的团队遭遇过不计其数的困难,也体验过“山穷水尽、柳暗花明”的起伏与波折,但是“强国强军”的责任和使命让他们披荆斩棘坚持了下来。他们的努力,使中北大学精密塑性成形技术研究颠覆了原来的传统和固有思路,无论从成形理论、制造方法,还是工艺技术装备上,摸索走出了属于自己的一条道路,形成了自己的特色与体系。小到3C电器,大到航天军工,张治民团队的科研成果,为许多产品和装备带来了前所未有的改变,也得到了军方及社会各界的广泛认可。

“不要羞于承认自己是个‘打铁’的。”张治民笑着说道,“这个古老的行当,到现在延续了几千年,只要金属材料还作为承力结构件的主要用材,未来也绝对离不开它!我们只要认准了目标,坚持用成形理论的创新与技术的突破,不断挑战轻合金成形极限,挑战装备轻量化极限,就能为国家的国防建设和国民经济发展添砖加瓦。”

“更强更韧更精,锻造精彩人生。”——这是张治民教授的座右铭,也是送给团队成员们的勉励和对于他们的期许。这12个字,端端正正地贴在了实验车间里,更贴在了每一位创新团队成员的心里。

 

专家简介

 

张治民,中北大学学术委员会主任,国务院特殊津贴专家、全国优秀教师、国家原“973”首席科学家、国防创新团队带头人、何梁何利科技进步奖及中国兵工学会科学技术特等奖获得者、中国工程院科技发展战略山西省研究院学术委员会委员。40年来,一直潜心于材料强韧化与精确控制成形新原理与新技术的开发研究,形成了特色鲜明的研究方向,在高性能、高精度、低成本精密成形先进技术与工程方面,取得了显著的成绩。先后获国家科技进步奖二等奖1项、省部级科技进步奖一等奖3项,授权发明专利112项,其中国际发明专利4项,参与研制的多型装备获得“抗战胜利70周年”阅兵装备保障奖。


分享到:

杂志
本期封面

2022年3月上

上一期 下一期