第三个规律：材料体系。材料体系是生产力。不建立体系就很难应用到生产中去。材料体系由材料牌号体系和支撑基础技术体系构成。材料牌号体系，是按照性能水平排列出来的体系。支撑基础技术体系是保障材料生产和使用的相应技术体系。材料的牌号体系很简单，只是一些牌号；支持它的基础技术体系包括材料技术体系、材料应用技术体系，包括生产技术体系、评价和试验技术体系，等等。材料体系和它的支撑基础技术体系之间的关系，如同在山上建了一个宝塔，宝塔比作材料牌号体系，大山就是支撑基础技术体系，两者大小比例差距是非常大的，也就是说材料牌号体系需要一个庞大的基础技术体系来支持它。
材料体系是材料发展的前提和保证。它的作用在于简化在役材料，保障用好材料，规范材料发展，指导材料创新。由于现在还没有建立起来材料体系，我们体验到用好材料、创新材料都遇到了很大的问题。材料体系应该具备先进性、实用性、科学性，才能够实现上面提到的那些功能。所以，建立材料体系是非常重要的。材料体系是一个系统工程，建立材料体系是一件十分困难的工作。大家可以看看各种材料手册，数一数一共有多少个材料牌号。国防科工委编写的关于材料体系调研结果的几本书中，据不完全统计，仅军工行业用的结构材料牌号就高达5000多个。大家可以想一想，如果这5000多个材料牌号，把它们的支撑基础技术体系都建立起来，国防科工委也未必支持得起。但是，未建立支撑基础技术体系，在生产使用中将存在大量问题。不仅如此，随着引进、仿制国外产品带来的新材料牌号还在不断增加，仿制一个飞机型号就要增加几百个材料牌号。各个行业、企业各自从不同国家引进的仿制产品，材料标准和技术状态各不相同。如此下去，我国的材料成了什么样子？怎么可能生产好，用好？我斗胆地说，如果不把2800多航空材料牌号减到几百个的话，航空材料是没有任何出路的。如果不把几千个材料牌号减少80%，从而建立中国的材料体系，中国的材料也是没有出路的。大家看一看各种材料手册，那里边有多少个材料是按照“四要素”研究的，有多少个材料是走完了两个“全过程”的？我们要把这么多材料牌号按规律一、规律二补充研究，是没有任何可能的。但缺少支撑基础技术体系，如何用作构件，用到产品上去，一大堆问题谁来解决？我国的产品、装备总是要发展的，总不能永远停留在引进、仿制上，总是要走上高端，走上竞争之路，这就需创新材料。几千个牌号在争人力、物力、财力和构件，怎么能创新呢？现在的“八国联军”材料牌号状况，几乎已经把我国材料带进死胡同里去了。
如何发展材料也要建立一个技术体系的概念。前面强调说了研究材料的目的全在于应用，材料要用作构件。高性能构件是设计—材料—制造三位一体技术集成。材料是基础，没有材料，什么构件也做不出来。一代材料，一代构件（装备、产品）。在三位一体技术中，没有哪个技术比其他技术更重要。三类技术分属不同的学科，在打造高性能构件中，需要三类学科技术都高水平发展，而且协调发展，然后才能在构件上集成。三类学科技术都有一个较长的研究周期，都有自己的形成规律。因此，在构件集成之前都应该形成以自身为主体，其他两类技术协调发展的技术体系。如材料技术体系为主体，制造、设计协调发展的三位一体技术体系，这样才能最终制造高性能构件。在过去几十年中，由于技术落后，伴随引进、仿制装备、产品而引进、仿制国外的材料牌号，甚至由设计提出材料牌号去研制已是历史的概念和做法。材料技术应该主动支持构件、产品、装备。材料业者有责任创新材料支持构件、产品、装备，以前所未有的材料支持前所未有的构件、产品和装备，把我国推上国际先进水平和领先的行列。
伴随科学技术的快速发展，材料科学与工程的新责任应当是扩展材料及材料应用科学技术发展，认识新兴科学前沿，开拓新的科学研究模式，不断创新材料，保持可持续发展，肩负起把我国和世界从向地球无限度地索取和污染，变为人工材料和环保循环的责任，履行这些新责任中包括不断揭示新规律，并遵守新规律。
（本文根据赵振业院士讲课录音整理）
发展抗疲劳制造，提升核心竞争能力
赵振业
20世纪80年代我和同事们一起研究300M钢用作飞机起落架的应用研究，提出了“无应力集中”抗疲劳概念，创新了10多种新工艺，建立了抗疲劳应用技术体系，把300M钢起落架疲劳寿命提升到了6000飞行小时不失效，1991年服役使用至今无一故障。由于这一应用技术用来制造起落架效果好，就变成了抗疲劳制造技术。2003年在中国科协举办的制造技术年会上，我第一次提出抗疲劳制造的称谓及有关概念、内容等。后来，一直用“抗疲劳制造”这一词作学术报告或写各种文章。美国空军材料实验室（ AFML）曾于1970年发表一篇机械加工构件表面完整性制造指南（AFML-TR-70-11，Surface Integrity of Machined Structural Components），其内容包括有车、铣、磨切削加工和电化学铣切加工工艺的疲劳性能数据，称为表面完整性制造。我提出的抗疲劳制造较之范围更广泛，包括表层硬化、切削加工和表层组织再造改性等。之所以称为抗疲劳制造，是因为它更适应以疲劳为主要失效模式的高强度构件，或称关键基础构件，如转动件：发动机的叶片、轮盘、轴；传动构件：齿轮、主轴承；主承力构件：飞机起落架、主承力接头、动载连接螺栓等。也因为有些技术，比如表层硬化，表层组织再造改性，它们加工的不是服役表面，与切削加工的表面完整性不同，但它却能大幅度提高构件疲劳强度。当然也因为“抗疲劳制造”一词更通俗、更响亮，更具有中国特色。
1996年实现飞机前起落架长寿命后，超高强度钢AF1410也用相同应用技术，实现了飞机平尾大轴长寿命。接着我又致力于抗疲劳制造的应用基础理论和方法研究，探讨超高强度钢以外的高强度合金，如铝合金、钛合金、涡轮盘用高温合金等的疲劳特性，发现它们和超高强度钢十分相似，它们具有的共同特点就是疲劳强度应力集中敏感，而且对构件的服役寿命和可靠性已经造成许多问题，亟待解决。
2008年，金融风暴席卷全世界。我国当然也不例外，经常在电视上看到我国出口机械产品大幅度减少，心中很不是滋味。不由地产生一种想法，既然我国的中、低端产品卖不出去，还不如塌下心来做高端技术研究，待金融风暴一过，我国已发展了高端制造技术，能制造高端产品，正好可以与国外竞争。于是就起草了一份《发展抗疲劳制造，提升机械制造核心竞争能力》的构想，想向国家提出建议。随即和师昌绪院士商量，他见识广、名气大，能和国家领导人直接对话，不想两人一拍即合，准备上书中央。向中国工程院徐匡迪院长作了汇报，同样得到共识和支持，与另外10位院士商讨后共同署名，由中国工程院发文上报国务院。不曾想到，温家宝总理、刘延东国务委员不到半个月就批示下来。现在，我们正在组织多个高科技行业、技术领域共同做一个《抗疲劳制造与长寿命关键基础构件研究发展》咨询项目，提出一个可操作的技术实施方案来供领导决策。
一、发展抗疲劳制造是战略举措和紧迫需要
机械制造是国民经济实力和国防安全的基础，党中央、国务院一直十分重视机械制造业。经过几十年发展，我国已成为世界制造大国，一些产品已居世界第一位。但是，我国尚处于中、低端产品制造的竞争弱势。比如说：我国机械制造具有相当规模，但高端产品依赖进口。我国的航空、风电、高速列车规模很大，装备用量很大，但基本上是依赖进口；我国已是数控机床出口大国，消耗量居世界第一，但进口的高档数控机床也居世界第一；我国轴承行业规模居世界第三位，但主轴承依赖进口；齿轮行业规模居世界第四，但关键齿轮依赖进口。我国机械产品增长速度很快，但经济效益低下。据统计， 2000年我国出口额为938亿美元，进出口逆差达47亿美元；2005年出口额升至3090亿美元，增加了2倍，但进出口逆差也升至97亿美元，增加了一倍。2005年出口轴承价值达14.4亿美元，但进口额达到13.6亿美元。2004～2005年，外购高速列车花费了900多亿美元。倾国家之力，但因制造的是中、低端产品，附加值低，与需求的高端产品进口相比，入不敷出。基本处于低端产品卖出去、高端产品买进来，外汇流到国外，资源消耗、环境污染留在国内的困惑状况。特别值得关注的是，许多企业还没有从“引进—落后—再引进—再落后”的怪圈里走出来。技术落后，通过引进国外先进产品，仿制、消化吸收，提高水平原本是一条自我发展的道路。但是，由于发达国家是推销产品赢利而不是教徒弟、树立竞争对手，因此我们不可能买到先进产品；即使是先进些的产品，其制造技术也保密，以作为一种控制手段。再加上我们自身缺少引进—消化吸收的机制，往往引进一个产品一造就是几十年，国外又取得了更大的进步，不得不再次引进新一代产品，如此一来，与国外的差距变得更大而不是更小。引进带来的不是缩小差距，而是落后更多。竞争能力每况愈下，竞争弱势很难改变。与一个制造大国极不相称，对我国的经济发展和国防建设极为不利。
关键基础构件是机械制造的核心。所谓关键基础构件是指各种机械共性的转动件：叶片、盘、轴；传动构件：轴承、齿轮；主承力构件：飞机起落架、动载连接螺栓等。这些构件决定了产品的主要功能，其失效将导致灾难性后果，它们都承受动载荷，主要失效模式是疲劳。长期以来，我国关键基础构件主要存在三大问题，即寿命短、结构重、可靠性差，制约了产品的服役性能和经济承受性提高。与需求差距大，与国外差距大；关键构件依赖进口，关键技术受制于人。我认为，造成这种局面的主要原因在于落后的传统“成形”制造。
所谓“成形”制造是指以成本、时间、空间为技术依据，满足形位、表面粗糙度等设计图样规定要求为己任的制造技术。它不适应关键基础构件普遍采用的高强度合金，如铝合金、钛合金、超高强度钢、高温合金等，也不适应安全—寿命及损伤容限、耐久性先进设计技术，导致实际构件低于设计性能，寿命短、结构重、可靠性差。传统“成形”制造不适应高强度合金是因为高强度合金有个共同的弱点，就是疲劳强度应力集中敏感。无论是高强度铝合金7050，钛合金Ti6Al4V、超高强度钢300M，还是涡轮盘高温合金GH4169，它们虽分属不同类型合金，但其疲劳强度应力集中敏感规律却十分一致。即当理论应力集中系数（Kt）为3时，疲劳强度都要降低约50%，Kt为5时降低约80%。表面硬化至HRC60时，表面划伤造成的应力集中值超过抗拉强度，当然也就无疲劳强度可言了。“成形”制造对高强度合金的这一弱点予以充分展示而没有任何补救作用。由于高强度合金疲劳强度应力集中敏感，构件设计时不得不降低许用应力，提高安全系数，因此增加了结构重量；对于既定的设计和选定的高强度合金，制造时由于没有抗疲劳概念和控制表面完整性措施，加工表面可能附加一个应力集中，并导致疲劳强度的再次降低，造成实际构件低于设计性能，寿命短，可靠性差，而且寿命短的程度、可靠性差的程度不可预知。这就是我们常遇到的现象，同一工艺制造的构件，有的构件寿命很长，有的很短；有的可靠性高，有的可靠性低。例如，同一个M50钢，美国制造的主轴承寿命可达3000小时，国内制造很难保证500小时。关键基础构件都承受很高的载荷和很高的疲劳载荷，其主要失效模式是疲劳。据统计，普通机械关键基础构件疲劳失效占总失效的50%～90%，航空构件占80%以上。在20世纪60年代到90年代中，航空发动机14起重大故障中有13起是疲劳失效；2003年统计的近些年来出现的300多起发动机故障中，绝大部分与疲劳相关，而且近几年研制的发动机中也出现疲劳失效。统计说明，疲劳是对航空发动机威胁最大的一种失效模式，而且由于高强度新材料的应用导致疲劳失效向短寿期发展。失效分析表明，“成形”制造是疲劳失效的主要原因。传动齿轮断齿故障为典型疲劳失效，其疲劳源在切削加工刀痕断屑处；涡轮盘榫齿裂纹也是典型疲劳失效，其疲劳源也在切削加工刀痕断屑处，因为断屑处是一个高应力集中。可见，伴随高强度新材料的应用，“成形”制造留下的隐患愈显突出。