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褚武扬:腐蚀研究一定要基于实际应用

2015-03-13 09:50:00
作者:刘娟
来源:《腐蚀防护之友》

褚老师一生长期从事材料科学方面的教学与研究,见证了断裂力学、应力腐蚀与氢脆等领域的发展。褚老师向我们介绍道:“作为学校科研,我们的主要精力是进行973项目、863项目、国家自然科学基金等国家项目的基础研究工作,但和工厂合作的课题也一直没有断过,氢脆应力腐蚀常常发生于工业领域,产学研可以将产业...

  “氢脆包括氢损伤(钢中白点,焊接冷裂纹、酸洗裂纹、H2S中开裂、高温高压氢蚀、氢化物脆)、氢致塑性损失、氢致滞后开裂等,它属于腐蚀领域。高强度钢在水介质中应力腐蚀的本质就是一种氢致滞后开裂。在工业生产和国防事业中,氢脆引起的事故时常发生,只有通过综合分析、弄清事故的原因后,才能找到预防同类事故的对策”,已退休的北京科技大学褚武扬教授,向《腐蚀防护之友》杂志记者讲道。

  2014年春暖花开时,记者在北京科技大学褚武扬教授(以下称“褚老师”)的家中,采访了这位一生都在从事材料科学研究的学者。过去的马航MH370事件,当时引起了国内外网站、报纸、各类媒体的深度聚焦,对于美国波音七系飞机的各种消息与事件猜测,在渐渐地淡出人们的视野时,褚老师从技术的角度向我们澄清了,氢脆与应力腐蚀并不是足以构成马航飞机失事的首要因素。

  因势利导解决工业生产氢脆问题

  褚老师一生长期从事材料科学方面的教学与研究,见证了断裂力学、应力腐蚀与氢脆等领域的发展。褚老师向我们介绍道:“作为学校科研,我们的主要精力是进行973项目、863项目、国家自然科学基金等国家项目的基础研究工作,但和工厂合作的课题也一直没有断过,氢脆应力腐蚀常常发生于工业领域,产学研可以将产业、学术与自主研发很好的共同协作与推进。”

  在工业生产过程中,现在的企业如果有问题,第一时间找专家来解决。如何低成本,长效解决氢脆问题,褚老师回忆起一些往事。

  褚老师说:“印象比较深的,是在国防方面解决了一次氢脆造成的腐蚀问题。七十年代172飞机制造厂的轰炸机在例行检查时,发现连接起落架的螺桩出现批量开裂,导致该型号飞机全部停飞。通过大量实验,确认这是高强度钢水介质应力腐蚀,即氢致滞后开裂,并提出了解决方案,从而化解了危机。”

  造成螺桩开裂的原因如下:“螺桩沾胶(由含水酒精配制)紧固,有时胶没有完全凝固,引起未出厂的飞机发生高强度钢螺桩氢致滞后开裂;某些已凝固的螺桩由于螺纹根部太尖锐,强度又太高,服役时和雨水接触引起水介质应力腐蚀(氢致滞后开裂)。

  解决的办法有三个:

  1、由于螺纹部分埋入起落架接触面积大,故螺纹部分的强度可小于螺杆部分,从而使螺纹部位的应力腐蚀抗力大幅度提高,工艺上可通过螺纹部分铅浴回火来实现。

  2、用滚压代替车削,可使螺纹根部半径大幅度提高,从而成倍提高螺纹的应力腐蚀抗力。

  3、用国产的快速凝固的胶粘合

  从事件本身来说,并没有使用太复杂的技术与工艺,顺着事情发展的趋势,摸清脉落,向有利于实现目的的方向加以引导,这是褚老师当时解决问题的思路。

  某工厂生产的重轨轧后堆在一起缓冷,让氢扩散跑出,在白点形成温度(约150℃)前氢浓度低于临界值,从而不出现白点。冷至室温后再热处理。为了提高生产效率,工厂准备在线热处理,即轧后不缓冷直接热处理。由于氢不能扩散跑出,超过临界值就有可能引起白点(氢致裂纹)。通过大量实验和统计分析,发现该重轨出现白点的临界氢浓度为C固=2.6ppm.它对应钢包中的氢浓度为C液=4.7ppm.钢包中氢浓度可实时测量。因此我们建议,当钢包中氢浓度小于4.7ppm时,轧成重轨后可直接热处理;如钢包中氢浓度大于4.7ppm,则轧成重轨后要堆冷,缓冷至室温让氢大量跑出后再热处理。

  煤制天燃气和普通天燃气的不同在于前者含有氢,最高可达6%。管输压力为12MPa,则对应氢气压力为0.72MPa。煤制天燃气必须通过现有管道进入用户。现有管道在0.72MPa氢气中长期服役是否会发生氢损伤和氢致滞后开裂呢?我们的实验证明,管线钢外加屈服应力在2MPaH2或2MPaH2+10MPaN2中保持720h不发生氢致开裂,对应氢浓度为0.44ppm。通过电解充氢使氢浓度为0.9ppm时,外加屈服应力的管线钢能发生氢致滞后开裂。煤气、天燃气在服役时(0.72MPaH2)进入管线的氢浓度为0.2ppm。因此,现有管线在煤制天燃气中长期服役不会发生氢致滞后开裂,而且安全系数k=0.9/0.2=4.5足够高。

  学习在没有建议的情况下处理问题

  腐蚀研究一定要基于实际应用,人的一生中,经验的积累贯穿整个人生,不可或缺的独立处理问题能力、思考能力、判断能力,每个人都知道它们不是一蹴而就。褚老师说:“今天的大学生将是未来国家科技发展的中坚力量。大学学习是一个培养学习能力的过程。是培养自我管理、独立思考与动手能力的一个重要阶段。大学期间,要不断调整学习方法。作为老师,喜欢有自己想法,并且愿意和老师讨论的学生,但现在这样的学生很少。擅于独立思考的学生,才可能有独立的创新。”

  “很多人问我中国、美国、日本的科研人员有何区别时,我的回答是,中国学生很会学习,勤奋与学习成绩一直在世界上被认可,但获得诺贝尔奖的欧美人居多,日本也有获诺贝尔奖,这就看出来我们之间的差距。知识面、动手能力、思考能力是创新的关键,而创新是秉持一个国家国防、科技前卫的原动力,所以,今天我们的应试教育要不断改变,让更多的学生懂得,学习是什么,要怎么学。”褚老师说。

  褚老师语重心长地说:“大一新生是最好塑造的时期,需要把已有课程学好,有兴趣的选修。知识总是有用的。可能现在没感觉到,过了十年,触类旁通,说不定真还有用。大学生需要知道从哪里去查书,请教哪些人,独立思考,找到解决问题的方法。”

  褚老师一生除了进行科研与学校教育,还著有七书专著,有应出版社之邀约、学生之请求,也有希望将自己一生所学反哺社会的责任心在其中。《氢脆和应力腐蚀》是褚老师在退休之后独立完成,一直在实验室里写了三年时间。褚老师说:“写这本书之前,先找到所有关于氢脆与应力腐蚀领域的文献,大约有三千多篇。每篇文献均复印或下载并编号。其次,按照我的思路编排目录。看文献时做笔记,指出哪一部分可为某一章节所用。最后,一口气完成初稿再修改。图都是我手画草稿,然后请研究生用电脑制作。文字尽量写得深入浅出,基本公式均有详细的推道,不用查询别的书,一口气都可以看得下来。”

  [后记]

  每个人的人生都是一个精彩的故事,有比较感慨比较难忘的往事。从褚老师求学的顺遂,出国的波折与人生中多次申报科学院院士的意料之外,聊起褚老师自己,他微微一笑说“我这个人比较淡定,人生中该我的就会有,人生中该我没有的,继续努力。”

  这种性格,让褚老师对工作、对生活,踏实努力,一切工作从实际出发。

 

  个人简介

  褚武扬教授1956年毕业于宜兴一中,1962年毕业于北京钢铁学院金属物理专业。1986年为教授,同年被国家评为博士生导师。1987年至1991年在美国Carnegie-Mellon大学任客座教授。长期从事材料科学方面的教学和研究工作。在断裂力学、氢脆和应力腐蚀规律及机理方面做了系统研究,并有创造性的成就。

  褚武扬教授已出版的7本专著如下:

  1)《断裂力学基础》 1979,科学出版社,褚武扬

  2)《断裂韧性测试》 1979,科学出版社,褚武扬,林实,王枨

  3)《氢损伤和滞后断裂》 1988,冶金工业出版社,褚武扬

  4)《应力腐蚀机理》 1994,科学出版社,乔利杰,王燕斌,褚武扬

  5)《断裂和滞后断裂》 2001,科学出版社,褚武扬,乔利杰,陈奇志,高克玮

  6)《材料科学中的分形》 2004,化工出版社,褚武扬,宿彦京,高克玮,何建英,李金许,乔利杰

  7)《氢脆和应力腐蚀》包括“基础部分”和“典型体系”两卷,2014,科学出版社,褚武扬,乔利杰,李金许,宿彦京,岩雨,白洋,任学冲,黄海友

  褚武扬教授在国内外杂志上发表论文535篇,其中SCI收录343篇,EI收录158篇。论文在SCI上被他人引用743次,CSCD引用544次。其成果获国家自然科学二等奖1项,获部委级科技进步一等奖3项,二等奖7项。已培养硕士、博士和博士后44名。1992年被人事部授予国家级有突出贡献中青年专家称号。



 

责任编辑:刘娟

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