疲劳与断裂研究的先行者
“十月里,响惊雷”。1976年10月,随着“四人帮”的垮台,那场史无前例的“文化大革命”也随之结束了。
以全国科学大会召开为标志,宣示着科学的春天到来了。
颜鸣皋生命的春天也来到了。拨乱反正,落实政策,泼在他身上的污水被彻底洗清,恢复名誉,冤案得以彻底平反。
人逢喜事精神爽。
颜鸣皋感到无比的轻松,愈加意气风发,斗志昂扬。他决心在祖国实现“四个现代化”的新长征中,奋力拼搏,多出成果,为国争光。
1978年,在北京航空材料研究所新一届领导班子里,颜鸣皋又被任命为技术副所长、总工程师,当选为党委委员。
“十年浩劫”后,百废待兴,困难很多,也可谓受命于危难之中。
组织上决定:为了使颜鸣皋能够更好地工作,让他到小汤山疗养院休养一段时间,以医治他在“文化大革命”中倍受摧残的身心创伤。
颜鸣皋正处在无比兴奋之中,哪能静心休息,他在进院前就已经做了精心安排,带去了一位波兰学者刚刚出版的《金属的疲劳与断裂》。他的本意是通过阅读这本理论著作,梳理一下前期的科研工作。可是,在阅读过程中,他觉得这本书内容新,可作为研究金属疲劳与断裂的参考资料,今后能用得着。于是,他就拿起笔来边看边翻译。一本40万字的著作,他竟然在疗养期间译出了初稿。
后来,这本书稿经他的学术秘书刘才穆同志整理,由上海科学技术出版社正式出版发行。
时光飞逝,日月如梭。颜鸣皋算算,转眼间自己竟是快60岁的人了。他着急啊,“文化大革命”耽搁了他太多的黄金时间,他要把这个时间抢回来。他对同事们说:
“我们赶超世界先进水平,就要盯住前沿,进攻世界性的尖端课题,抓住一个搞成一个。”
这话说得虽然平实,但却充分表达了老科学家的雄心壮志。
进攻世界性的尖端课题!颜鸣皋以一个战士的姿态出征了,他盯住的依然是航空材料疲劳与断裂方面的课题,因为前几年他们与武汉军区空军协作的项目——飞机起落架补焊取得成功,为这个课题打下了坚实的基础。
颜鸣皋通过对国内外大量文献资料的分析,指导题目组经过宏观力学和微观观察,其对金属材料的疲劳裂纹扩展过程、物理模型、力学方程以及各种因素的影响,都有了相当深入的认识。他对金属材料疲劳与断裂方面的应用基础研究和应用研究做了大量工作,并取得了系统性、独创性的科研成果。其中,他对第一、第二阶段裂纹扩展的物理模型,首次归纳为双滑移、裂尖钝化和再生核机制,得出了疲劳裂纹扩展的一般表达式,并阐明了组织结构、应力比、表面状态和环境介质等因素的影响规律。
他还和他的同事通过对几种合金匹配断口的仔细观察和深入分析,首次发现两个匹配断口上的微观形态,是非对称的,并呈现出十分明显的差异。通过试验证明,疲劳裂纹在构件和试样中的扩展,是一种非平坦的交替切变过程。对实际工程材料的断口形貌,根据应力状态和第二相、夹杂物以及环境影响,做出了合理的解释。
1978年,颜鸣皋根据研究成果撰写出了《金属疲劳断裂微观机制》一文,除了在全国“第一届断裂力学与断裂物理会议”上作为大会主报告之一外,还由中国航空研究院选为航空科技文献资料,以单行本出版发行。这是我国首次发表的一篇有分析、有独立见解的、系统地阐明了有关疲劳与断裂微观机制的论文报告。
“烈士暮年,壮心不已”。
进攻!进攻!颜鸣皋在这场进攻战中,取得了一个个辉煌的胜利。
颜鸣皋首次对不同晶系合金初期裂纹扩展出现的小平面位向,根据滑移方向和层错能的高低进行预测,获得了重要研究成果。
颜鸣皋完成了疲劳裂纹萌生与初期扩展的力学行为与微观机制的研究,为我国新机种选材、服役机种故障分析和延寿做出了重要贡献。
颜鸣皋应用断裂力学分析与位错模型,首次推导出了预测疲劳裂纹扩展门槛值的理论计算方程,其计算值与3种主要晶系金属及其合金的试验值相吻合,在世界疲劳界引起了广泛的关注,受到世界疲劳界学者的高度重视,产生了重大的影响。
颜鸣皋研究不同超载形式和程序对飞机结构材料疲劳寿命的影响,首次找出不同超载程序产生不同裂纹扩展迟滞效应的变化机制,根据断口变化特征采取变参数法对常用的威林伯格(Willenborg)和马尔斯(Marse)迟滞模型进行了修正,提高了对程序和随机加载寿命估算的精确度。通过与德国宇航院技术合作,对7475铝合金在程序加载下的裂纹扩展行为和寿命预测,取得一些新的成果。
颜鸣皋的研究成果太丰富了,笔者在这里仅是简单地列举了他一些开创性的成果。他作为我国航空材料疲劳与断裂研究的先行者,为了配合飞机设计部门进行损伤容限设计,对大量国产材料进行了断裂数据与成活率的测定,出版了多种手册与数据汇编,为飞机安全设计、合理选材提供了大量数据和理论依据,并建立了较完整的试验装备,培养和造就了一大批技术骨干,使后来更名为北京航空材料研究院的北京航空材料研究所,在材料疲劳与断裂应用研究方面处于国内领先地位,在国际上也享有盛誉。
颜鸣皋早就注意到,随着飞机设计由最初的静强度设计,向安全寿命设计,以及最近的“损伤容限设计”方向发展,一般机件的破坏90%以上是由疲劳断裂造成的,而构件的疲劳破坏通常是局部区域内疲劳裂纹的形成、扩展和断裂的过程。由于现代飞机结构大量地采用高强度结构材料,以及不断地提高承载应力水平和裂纹检测精度,疲劳裂纹的扩展阶段往往占据零件有效寿命的大部分。由于工程构件中疲劳裂纹扩展是一个复杂过程,它受到材料的组织结构、加载方式、载荷经历、尺寸因素、表面状态以及温度与介质环境等因素的影响而具有不同的表现行为。因此,研究材料的疲劳裂纹扩展规律及其微观机制,在理论和实际上都更具有重要的意义。
颜鸣皋是航空材料疲劳与断裂研究的先行者。他先后当选ICM4~8等“国际材料力学行为大会”的主席与名誉主席,在国际疲劳界享有很高的荣誉。
颜鸣皋于1978年发表的《金属疲劳断裂微观机制》的论文,是金属结构材料在常温与恒幅疲劳载荷下裂纹扩展的一般规律及其微观机制等方面的经典代表作。对当今我国新一代飞机和航空发动机采用先进的“损伤容限设计”原则同样具有强烈的时代意义。
颜鸣皋在分析材料疲劳裂纹扩展的断裂力学和断裂物理过程基础上,进一步考察了影响疲劳裂纹扩展的显微组织、平均应力和介质环境等化学因素对裂纹扩展各阶段的影响,为修订和定量估计出不同载荷与环境因素共同作用下各段的裂纹扩展行为提供全面的参考依据。
为了对接近实际使用条件下的材料与构件疲劳裂纹扩展的进一步研究,颜鸣皋指出迄今仍处于发展阶段,其中一些具有应变时效和相转变的复杂合金和高强度钢等的研究,还仅仅是开始。为此,他进一步提出如下几点建议:
为了促进国民经济与宇航工业的发展,加速实现我国四个现代化,建议在全国统一规划下,突出重点,合理分工,密切协作,及时交流在材料疲劳断裂研究中的进展,努力做好下列几项工作:
(1)在宏观与微观相结合的基础上,探索材料的疲劳裂纹的形成、扩展与断裂中的力学行为、物理本质和化学过程,特别是在接近实际使用条件下和接近门槛值范围内的裂纹扩展行为、断口形态和裂纹尖端范性区的应力应变场及其精细结构的研究。同时,有关单位也应开展一些在真空下和环境介质中的单晶体和大晶粒试样的基础研究,找出材料在循环载荷下范性变形的基本规律,以指导一般的应用研究与生产实践。
(2)结合设计、生产与使用的需要,开展材料的过载效应、随机加载、多向应力以及温度与介质综合作用下疲劳、断裂的研究。掌握材料在实际应用中疲劳裂纹的形成和扩展规律,为设计选材,寿命估算,改进材料与工艺提供必要的科学依据。此外,通过设计、材料与工艺相结合,解决如何对应力集中点与材料质量的控制问题。
(3)积极掌握与运用国内外先进技术,发展电子金相断口术、透射薄膜观察、高速与全息摄影、能谱分析、声发射、细聚焦X射线衍射与应力分析、程序控制力学试验、无损探伤技术,以及电子计算机的应用等,大力开展应变疲劳、低应力疲劳、高温与腐蚀疲劳,以及多轴向和变频率等试验方法的研究,为工程设计与施工提供大量的准确可靠的试验数据,并为进一步开展疲劳断裂研究创造更有利的条件。
总之,通过以上基础研究、应用研究和测试技术的研究,走出了我国解决疲劳断裂问题的发展道路。
为学术创造一个自由天地
也许是太久的压抑,一旦爆发便如山涧的飞瀑;也许是太久的禁锢,一旦挣脱便如草原的烈马。
颜鸣皋思想上摆脱了压抑,学术研究上挣脱了禁锢,科研的灵感如飞瀑般奔腾不息,科研的思路似烈马纵横驰骋。
人们常说,经过严冬的人倍感太阳的温暖。
颜鸣皋在学术问题上深受压制禁锢之苦,因此也十分渴望能够有一个自由的天地,使科研工作者毫无禁忌地解放思想,百家争鸣。
为了纠正“文化大革命”压制学术的错误,中央指示:要恢复各种学会活动。1978年,中国航空学会首次恢复活动,在天津与其他三个学会同时召开学术会议。
中国科学院院长周培源同志亲自主持会议。
航空学会的材料和结构在同一分组。
这次会议气氛非常热烈,颜鸣皋和刘才穆等同志参加了会议,他与许多多年未能谋面的老朋友互致着问候,畅谈着未来。
会上,上海冶金所副研究员黄玉朴同志宣读了一篇用热力学上“熵”推动裂纹产生的文章。这篇文章的观点不仅与传统力学相悖,而且从热力学观点看也是非常不完善的。只有同时满足动力学条件,事件的发生才具有充分兼必要条件,加上缺乏必要的试验数据,因此,这篇文章在会上引起热烈讨论。有怀疑的、反对的,甚至冷嘲热讽的,赞同的不多。再加上黄玉朴口才欠佳,回答问题不能言简意赅,有时甚至被质问得张口结舌,显得十分尴尬。
颜鸣皋对此气氛十分不以为然。他认为:学术问题争论归争论,但不能一棍子打死,全盘否定。
其实断裂问题从热力学上研究,世界上也是一个学派,以空位聚集的理论来阐述裂纹产生的也大有人在,中国也不乏其人。
会后,颜鸣皋对刘才穆发表了自己的看法:
“不同学术观点可以自由发表,采取友好讨论比较好。”
为学术创造一个自由的天地,是颜鸣皋一贯的追求。平时,无论学生发表多么幼稚的观点,他都允许人家把话讲完,然后再平等地与其讨论,并鼓励他们敢于“冒尖”,敢于发表不同意见。用他的话说,“树苗不‘掐尖’,才能长成参天大树。”
刘才穆十分同意他的观点,同时也被他那宽广的胸怀和与人为善的态度所感动。
颜鸣皋又对刘才穆说:
“你一会儿找一下黄玉朴先生,就说是我的意思,如果他需要进一步试验,可以到咱们北京航空材料研究所来做。”
黄玉朴在这个困难的时期得到颜鸣皋的热情邀请,无论从精神上,还是科研课题上,都是无私的援助,感动之情溢于言表。他连声对刘才穆说:
“谢谢,谢谢!请替我感谢颜先生。有时间,我一定去看望他。”
此后不久,黄玉朴来到了北京航空材料研究所,见到了他仰慕已久的颜鸣皋。
颜鸣皋紧紧握住黄玉朴的手,连声说:
“欢迎,欢迎。”
黄玉朴被他的热情深深感染着,一时竟不知说什么好。
颜鸣皋又转身对刘才穆和顾明达说:
“你们替我好好接待黄先生,全力以赴配合他做好各项试验。”
黄玉朴在北京航空材料研究所期间,虽然课题没有取得很大的突破,但能够在这个时候,给他无偿提供疲劳试验,他已经是非常地满足了。因为某些更深层次试验,当时北京航空材料研究所也不具备条件。
后来,黄玉朴因病逝世,北京航空材料研究所与他在这一项目的合作也因此中断。据了解,核工业部兰州某所仍有同志从空位迁移和热力学原理来研究材料断裂问题并取得了进展。
诚恳待人,谦逊处事,是颜鸣皋的家风,也是他一贯坚持的原则,无论何时何地,面对何种压力,都不改变。
“他尊贵不骄佞,有荣不显奢,受辱能自恃。”这是他的同事、下属、学生以及合作伙伴对他最中肯的评价。
颜鸣皋根据自己的人生经历和工作实践,总结出这样一段话:
“人的一生不可能一帆风顺,要经得起挫折;人的一生也不可能不犯错误,但同样的错误不能犯第二次。对己要严,对人要宽,遇到不同意见,要先从别人的角度想想对不对,特别是在学术问题上不能搞‘一言堂’。做人要有大胸怀,有大胸怀方能有大作为。一个斤斤计较、小肚鸡肠的人是不能干出大事业来的。”
翱翔在材料科学的天空
“大胸怀方能有大作为,大胸怀才能干出大事业。”
这是颜鸣皋的肺腑之言,也是他的人生总结。
在20世纪70年代末和80年代初,颜鸣皋又迎来了一个丰产的季节。
颜鸣皋作为北京航空材料研究所的技术副所长、总工程师,是科研工作的主要负责人。平日里他有很多的日常事务性工作,更多的是要谋划科研工作的具体实施和未来。
博智才能多谋,多谋而后善断。