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李薰的科学研究经历 (1913~1983)
2013-10-23  |  供稿: 王仪康 洗爱平 陈文绣            【 】【打印】【关闭

  一、青少年时代(19131937年,24岁以前)

  李薰1913年出生于原籍湖南邵阳农村(现邵东县属)。在长沙那个当年中华传统文化同西方外来文化交汇,革命思潮风雷激荡的环境中受教育和熏陶。他中学时代同校师生中有不少都成了中国近代史上的革命志士。当时湖南著名的教育界人士王季范先生,曾是他的中学校长。解放以后,王见到李薰时说: “我的学生中有三十多个将军、省长、部长,科学家麽,只有你一个!”。 李在青少年时代就以“才思敏捷,文笔流畅”而著称于学校师生之间。他在1932年高中毕业后,以成绩优越被保送免试进入湖南大学矿冶系。他原考取了北平清华大学物理系,但是由于代他报名的人忘了申请奖学金,而他的家庭没有能力供应他到这个一向仰慕的北方最高学府去就读,错过了这次机会。这是当年他很长时期感到梗梗于怀,郁郁不快的事。但也正是因为这一次“偶然”的机遇,才导致他走上成为当代中国材料科学界一代宗师的道路。

  李薰1936年大学毕业,考取了湖南省公费留学(共录取三名)193710月到达英国Sheffield大学在冶金系著名教授Professor J.H.Adrew(当时任该系主任)指导下攻读博士学位。

  二、攻读博士时代(19371940年,2527)

  李薰到达英国时, 正值欧洲学界在金属塑性形变理论方面争论时期,1934Taylor , Polanyi,Orowan分别提出了金属形变的位错理论。但是,当时并没有得到实验证明,也得不到以实际经验为背景的冶金技术界支持,形成了不同学派间的对立和激烈斗争。李薰的导师J.H.Adrew Manchester大学Thompson等人就属于与上述理论相对立的另一学派。李攻读博士学位的课题就是“钢的冷加工硬化和时效问题”,内容是通过实验来验证Professor Andrew1938年提出来的一项“假说”,即对钢的冷加工过程中存在着同在相变临界温度(Ac3)以上加热后,再淬火—回火的热处理硬化调质很类似的机制。 即在冷加工的过程中,钢的组织中发生了和由于加热所导致的相转变同样类型的相变。为了验证这种“假说”,李薰设想,如果对钢的冷加工同对钢的淬火存在着同样的相转变机制,则所产生的“效果” 决不仅限于在钢的强度和硬度方面所表现的“相类似性”,势必会在钢的物理性能,如受热膨胀性能,在相变过程中的热焓性能,热电动势等方面,在钢的组织方面也会有所反映。为此,他设计了一系列的对比试验,实验用的钢材是一种60号高碳钢,一种15号低碳钢和一种工业纯铁。连续做了四年实验工作,得到了一系列的数据。例如,在淬火热调质钢同冷加工硬化钢之间,在钢的极限断裂强度、硬度、电阻率、热膨胀率、热焓等方面都存在着“相似性“。特别是,他首次发现,两种经过不同工艺处理的钢材在100℃~150℃之间都存在着一个“吸—放热峰”,不同的是,淬火的钢材以后通过几周的时效,就逐渐消失了。总之,根据一系列实验,并没有能发现能够否定“Andrew假说”的直接证据,从而就支持了这个假说。李薰在他的博士论文中还提出了一种微观机制设想来充实这个假说[1]。所以, 李薰在1940年很顺利的拿到了哲学博士(PHD)学位。他这时年龄27岁。

  可能是由于二次世界大战的原因,李薰这篇洋洋四万言的论文拖到了1942年初才发表,在英国学术界引起了反响,Manchester大学Prof. Thompson评价李薰这些实验结果和设想在金属冷加工研究中有“开拓性和变革性”,另一些学者则提出不同意见,认为还没有取得支持“Andrew假说”的直接证据。但无论如何,这是一篇实验设计合理,数据处理严谨,有开拓性创见的论文。

  三、博士后时代(19411951年,2837)

  李薰得到博士学位以后被留在prof.J.H.Andrew身边工作,任Research Assistant。他这时的工作重点转到了参加研究“钢中发纹形成原因”问题。是在英国合金钢研究委员会所属钢中发纹(hair-line Crack)学组支持下做的。 所以突然从研究钢的冷加工转到研究钢中氢问题,据李薰自己讲是因为1939年英国皇家空军喷火战斗机发生了钢中发纹缺陷导致的钢材低应力断裂,机毁人亡事故,引起了英国当局的关注。这时正值第二次世界大战时期,为了及时处理好这项重大航空质量事故,察清发生发纹原因,发生发纹规律,和找出有效防范措施,成了当务之急。

  李薰在这项工作中的首要贡献是设计并亲自动手制造了一台测定氢在钢中溶解度的仪器,这是一台用玻璃和石英管制造的在真空系统中对钢的试样先进行加热除氢后再做气相灌氢实验系统,并可以将在真空条件下从钢试样加热抽取出来的气体做成份分析的综合设备,加热系统用热电偶、电桥和光电管实现自动控制温度波动范围。在英国193940年,SheffieldBrown-Firth Research Laboratory Newell,W.C.开始用改进的真空热抽取法分析钢中氢[2]20年后, 这个改进被美国人总结为是那个时期在全球的一个首创[3]。根据我们查到的资料判断, 用真空技术研究钢中氢溶解度试验设备在英国却以李薰这套为首创,于1940年底建成投入试验。李用这套设备测定了工业纯铁,铁—5%Ni合金,和一种相当我国22Ni4深淬合金结构钢在500℃~1100℃温度范围钢中氢溶解度。李薰采用从高温气相充氢再降温方法解决了在500℃ 左右气相氢同固溶在钢中氢不容易达到平衡问题,得到比日本东京帝大(Iwase & Fukusima,1937)和德国(Sieverts & Zapf, 1938) 用同类型设备测定数据为高的在500℃温度含镍钢中固溶氢溶解度数据。这项工作报告于1941年初提交英国合金钢委员会[4]1942年发表。 这就为开展研究钢中发纹形成原因工作创造了条件。这篇报告由李的导师,李薰等共三人署名,(J.H. Andrew, H. Lee(李薰)A.G.QuarreLL)。李薰排在导师以后第一名。在报告讨论会议上,由李薰做工作报告。

  1948年美国人Donald P. Smith 写的“Hydrogen in Metals ”书中,五次引证李薰这项工作[5],将李薰这项工作同当时研究钢中氢溶解度的Pihlstrand (1937) Bauklohand R.Muller(1937)Iwase and Fukusima(1937)Siveerts , Zapf, Moritz (1938)Armbruster (1943)其他五组工作并列。认为是当代,不容易达到的最准确的水平。

  这本“Hydrogen in Steels”是美国芝加哥大学金属科学研究所同该校过物理科学出版委员会合作主持出版的一本全面总结性著作,共收录1946年以前全球关于钢中氢的有价值科研文献1,470篇,有一定的权威性。从该书对李薰著作引用和评价可见当时国际材料界对李薰在钢中氢方面的工作是有一定评价的。据说, 在Sheffield大学冶金系实验室保留着李薰制造这台测定钢中氢溶解度实验设备,并悬挂着李的照片做为记念。

  李薰的“钢中发纹形成原因研究”工作,于1942年六月份[6]和九月份[7]连续向英国合金钢委员会提出了两份共6万多字的详细工作报告。头一份报告为一万多字,主要实验设计思路是“氢致发纹在实验条件下再现”,目的是在英国合金钢上验证1935年法国I.Musatti等人研究结果[8]方面的情况,即在1200℃高温氢气氛中长时间加热的35Ni3CrMo深淬合金结构钢中发生了发纹缺陷, 而在这种钢在高温氮气氛或氧气氛中加热却不发生发纹缺陷,从而搞清楚生发纹的确切原因。具体方法是在1150 高温氢气氛中加热英国钢厂生产的33Ni3CrMo20Ni4深淬合金结构钢及和60号碳钢三种典型钢种7小时, 用水淬后经过不同的时效处理后再检查钢中的发纹情况。研究钢中发纹规律的实验钢料(改锻)断面尺寸为φ22mm和φ44mm圆钢和小部份与法国人Musatti-Reggiori的实验结果做比较的φ60mm圆钢。实验结果同法国人结论吻合并有所发展。后一份报告为五万字左右,是在第一份报告基础上的一系列扩大实验的报告。后一份报告所用的实验钢料主要是从钢厂取的,包括工业高频炉冶炼的33Ni3CrMo深淬合金结构钢(每炉3)100×125mm方坯,英国钢铁公司(English Steel Co.Ltd.) 酸性平炉冶炼33Ni3CrMo深淬合金结构钢,和从其它钢厂取的60号碳钢。 及一部份由大学的冶炼实验室冶炼的比较钢种(相当于我国)30Ni3CrMo30Ni4CrMo20Ni420Ni2V50Ni4Ti、深淬合金结构钢和高碳钢等十多种。在这些小型实验得出规律后,用英国钢铁公司供酸性平炉33Ni3CrMo合金钢热轧圆钢(φ114mm)和从钢锭直接加工的(400mm×400mm,三吨锭)铸态钢样,用一个特制的大型高温气相充氢设备进行料实物尺寸样品的反复实验,实验的重点除了验证小型实验的结论以外,重点研究比较这种合金钢的氢致裂纹和强裂淬火裂纹之间的区别。还在三吨工业高频炉熔池吹氢将钢水氢含量增加到510cc/100gm(相当4.59ppm),以观察在铸钢组织中能否发生发纹。由另一家(Messrs Hadfields Ltd.)公司用工业高频炉供应相当 08Ni3CrMo,10Ni3CrMo,20Ni3CrMo,35Ni3CrMo , 45Ni3CrMo

  五种合金钢φ44mm圆钢实验研究钢的含碳量对发纹敏感性的影响。这两份报告的主要结论是,钢中的氢是导致经过淬火的合金钢发生发纹的主要原因,没有氢的作用下光是淬火应力不会引起发纹,淬火温度低于钢的Ar1不会发生发纹; 不淬火(缓冷)和淬火液体温度高于150℃不会发生发纹; 淬火后的钢材立即回火后缓冷也不会发展发纹;铸造组织和锻造变形量小于30%33Ni3CrMo钢组织不会发生发纹,但如将硅含量从炼钢常量(0.35%)增加到0.81.8%,则铸态组织中也会发生发纹;钢中含碳量增高明显降低氢从钢中向外逸出速度; 钢中含锰量增加明显提高钢材对发纹的敏感性;钢中发纹是经过几小时~两个星期的孕育期以后才发展的;在常温放置的钢材发生发纹时间是同钢中氢向外逸失的突然增加高峰相吻合的;发生发纹钢中氢在300℃ 左右长时间停留会同钢基体中的碳反应生成甲烷(CH4)使发纹附近钢基体脱碳, 形成“脱碳弱线”;钢中氢来源不只是炼钢过程进入熔池的,长时期在氢气氛中加热也可以增氢必需注意;发生发纹的钢材可以通过改锻将发纹焊合并缓冷后应用,但不要在300℃ 温度长时间停留,以避免“甲烷反应”。

  从这两篇报告内容看,这项是一次大型钢质量事故分析的突击性工作。研究目的是深淬合金结构钢(33Ni3CrMo)发纹发生原因分析和善后处理措施研究。 这种钢的生产工艺可能是酸性平炉+工业高频炉重熔的双联冶炼。锭型为三吨,经过热轧或煅造成φ110圆钢,机加后,在保护气氛下加热以防止表面脱碳经过淬火→回火后表面精加工或喷沙处理后应用。从这项工作研究的钢种和实物尺寸来看,是一种φ100mm左右的高强度钢圆棒体。33Ni3CrMo是二次世界大战时期一种航空结构用钢, 有可能是用于飞机发动机轴或起落架,与李薰说是解决航空重大事故的说法相符。从这两篇报告的署名次序来看,第一篇报告李薰是第四名(最后一名)。第二篇报告中李是第三名。Prof.Andrew,和另一个A.k.BoseB.Met.,在两篇报告中一直排在头两名。以上这三篇论文是在1942年同一次会议上发表并讨论的。关于氢溶解度问题由李薰做报告,关于氢致发纹的两篇则由在第二篇报告中名次排在李薰以后的A.G.Quarrell做工作报告。所以可以看出,李薰当时在这项工作中起了主要作用。在1948年美国出版的“Hydrogen in Metals ”书中两次提到这项工作, 说Andrew和李薰等人证明了钢中发纹是氢引起的。可见,李薰由于这项工作在西方40年代后期是有一定声誉的。

  1945年八月份李薰这个小组向英国合金钢委员会的发纹小组提出了一份关于从钢中除氢研究长达五万多字的报告,这时李薰的名次排到Prof.Andrew以后的第一名。论文报告也是李薰做的,说明这项工作是他实际主持的。这时,李薰研究的合金钢中氢的对象已经扩大到Ni-Cr-Mo,Cr-Mo,Mn-Mo,Si-Ni-Cr-Mo, 滚珠轴承钢,45号碳钢,60锰碳钢(弹体钢)等十多个合金钢系列共四十多种钢种。测定在不同的热处理温度范围氢从这些合金钢中的扩散速度。所有实验钢材全部取自钢厂,很多实验都是在工厂13吨的盐浴炉或铅浴炉做的,实验工作量相当庞大。在那个时期,这篇论文所发表涉及钢种之广,实验数据之多,也是很罕见的。这篇论文前言中也说,这些工作都是在有关钢厂要求下做的。可能同当时战争需要合金钢的形势有关。

  在这篇论文中,他们提供了九种典型钢种除氢效率最高的温度范围,对前一时期针对有限几个合金钢种的研究结论在更广泛的合金钢种中得到了验证。即钢中的氢是引起发生“发纹”的主要因素;在不存在钢中内应力的条件下,氢也可以导致钢中发生“发纹”,只不过在形态方面有所差别;氢从固态钢中的逸出速度并不是按照扩散方程所预测的,随着温度的升高而增高,而是分别在220℃,300℃~350℃,和 650℃~700℃之间出现不同钢种而有所不同的“特征放氢速度高峰”;如果某一种钢种的“特征放氢速度高峰”分布温度区间较宽,则这种钢种对发纹就不敏感,反之,这种“放氢速度高峰”分布温度区间较窄,这种钢就是对发纹敏感钢;钢中含氢在13ml/100gm(相当0.92.67ppm)就明显地降低钢的塑性;含氢≥3ml/100gm就会导致发生“发纹”;钢中发生“发纹”临界含氢量一般≥3ml/100gm(相当≥2.67ppm);但也有个别矛盾现象不能解释,例如有的钢中氢含量高达6ml/100gm,仍然不出发纹;加热炉气中存在氢气分压就会明显降低氢从固态钢向外的逸出速度等。在这篇报告讨论中,李薰参照当时Honda等人提出的“氢在钢组织中变成分子形成内压”学说[10],对氢在钢组织中可能形成的压力强度提出了估算,用以解释“氢致发纹”的 发生机制是由于氢原子在组织中的微孔穴中转变成为分子态形成的内压和13ml/100gm (0.89ppm2.67ppm) 的氢就足以使氢变脆的综合效应所引起的。但是,他也感到,这种 估算是非常牵强的,所以在最后又说,这种简单的估算不能解释所有现象,对发纹形成机制的透彻了解有待于将来进一步工作。

  19475月,Andrew,李薰等四人向向英国合金钢委员会的发纹小组提出了一份“钢中氢行为同钢的相变”的四万多字研究报告。所研究的钢种为22种,除了1945年已经实验过的钢种以外,还增加了Fe-C-Ni(26%)合金作为比较。研究目的是氢从固态钢中逸出同钢中相转变之间的对应关系。研究的方法是用自制的热膨胀仪和连续测定放氢量联合实验装置,用电化学法测定氢对钢的渗透率装置测定不同类型合金钢在连续冷却和升温条件下氢的逸出率同钢中相转变之间的关系,钢的不同显微组织对氢渗透率的影响。氢对钢的机械性能的影响等等。

  在这篇论文中,李薰等人报导,每种合金钢的特征放氢速度峰是同这种合金钢的发生相转变(α相→γ相转变)的温度相吻合的。对一般浅淬钢,这种相变在较高的温度发生,在较短的时间内就完成了全部转变,氢的逸失速度快,在连续冷却的过程中除氢的效率较高,所以这种钢就表现为对氢致发纹不敏感的钢种。而对一般深淬透钢,即加入的合金元素较高的合金钢,这种相转变温度往往被移向低温,转变开始时间也往往向后推移得很晚,在连续冷却的条件下往往不能完成全部转变,这种钢就表现为对氢致发纹敏感的钢种。所以,应该根据钢在连续冷却条件下的相转变特征来制定合理的除氢工艺制度。钢中氢含量同发生发纹之间对应关系是由氢在钢中的扩散和溶解行为所制约的。氢的扩散速率较高,“溶解度”或“富氢相”(实际上是氢陷阱)较多的钢组织一般对氢致发纹有较强的“抵抗能力”。钢中应力条件对钢中发纹的形成有明显的“促进作用”,可能是通过影响氢在钢中的扩散或“溶解度”而起作用(实际上是, 钢中的应力集中影响了微观组织中“位错”的分布,而这些“位错”就起了“氢陷阱”作用,应力集中还使晶格畸变,也形成了“氢陷井”)。他们实验发现钢中发生“发纹”的温度≤150℃ ;他们还提出,“氢致发纹”(Hair-line crack) 虽然在形态方面同当时在一般内应力较小的重轨钢中发生的“氢致白点”(Flake)不同,但在发生机制方面是相同的。

  19821984年,即在Andrew和李薰发表这一些论文的35年以后,南朝鲜的Lee J.Y.,Lee H.G.等人使用了Andrew和李薰曾经使用的在真空加热环境中放气技术,重新“发现了”这些“放氢速度高峰”。并且将这些峰值同在钢中存在的各种对氢陷井能量不同的“氢陷井”联系起来,如“位错氢阱”,“晶界和显微空洞阱”, 和“碳化钛氢阱”[14]等等,在80年代后期在对钢中氢行为的研究领域有较高的知名度。但是,他们并没有引用前人的工作,也没有考虑钢中的相变对这些放氢峰的影响。这时,Andrew和李薰已经离开人世了。

  194710月在伦敦举行的金属与合金钢中内应力研讨会议上,李薰以Aandrew和他的名义做了一个“钢中发纹形成机理”的报告(5000)。除了对前述观点作了概括性总结以外,还提出,随着工业纯铁被冷加工程度加大到70%,氢在这种纯铁中的“溶解度”可以从未冷加工态铁中的2ml/100gm增大到20ml/100gm(1.8ppm20ppm),氢在这种纯铁中的扩散系数也相应的急剧下降的新实验现象。 说明, 这时期他已经开始研究当年的“钢冷加工机制”了。这时他的职称是Seinor Research Assistant

  钢由于氢引起的缺陷问题在本世纪初二十年代炼钢工业中就有所发生,主要表现在铁路用重轨,热处理合金钢材和电镀钢材方面。在美国,这方面问题的科研工作集中在铁路用重轨钢方面;在德国集中在合金钢材方面。到了三十年代,在发展军事工业的驱动下,对合金钢质量要求提高了,在各国航空工业用合金钢普遍发生了这种氢缺陷问题,对钢中氢缺陷问题研究开始提到各国的材料科学研究日程。在美,德,苏联,日本,法国,都各有一批人作这方面的科研工作。在美国,苏联和日本称这种缺陷为白点(Flake),德国为Flocken,法国为cassures,称“发纹”(Hair-line crack )是英国的说法。在19301939年,研究合金钢中Flake问题论文共发行了27篇,其中美12篇,德6篇,苏4篇,日3篇,法2篇。而英国在这时期没有发表这方面的论文。说明,英国在这方面比较落后。到了1940年,英国SheffieldBrown-Firth Laboratory Newell,W.C.发表了一篇用改进的真空热抽取法分析钢中氢的论文。194247Andrew和李薰一共发表了五篇,总计17万字研究合金钢发纹的研究论文。1947年,SheffieldBrown-Firth Lab.J.E.Wells, K.C.Barraclough发表一篇研究炼钢过程中钢水含氢量变化的研究报告,Sheffield,Brown-Firth Lab. C. Sykes , H.H. Burton等发表了一篇, 研究在合金钢制造过程中氢量变化的论文。C.Sykes的论文中说,过去几年,英国合金钢研究委员会所属钢中发纹分会代表全国的合金钢厂曾委托Andrew和他的同事研究发纹的形成机制,发表了一批论文。而C.Sykes的研究工作目的是, 将Andrew和他的同事研究的数据和钢厂的生产中氢的数据结合起来,将一系列在钢厂跟综各种生产工艺流程测定的钢中氢含量数据加以整理分析,探讨如何在生产工艺过程中控制“钢中的氢”问题。这份Sykes的实验报告完全是结合钢厂生产过程做的, 测定分析在各种冶炼条件下钢水中氢含量波动范围,解剖分析测定2060吨大钢锭中氢含量的偏析情况,φ700900mm 锻钢件或800mm方轧坯中的氢偏析问题。 并且从氢在钢中的扩散角度探讨不同尺度的钢坯的缓冷除氢工艺安排问题。所研究的钢种为Ni-Cr-Mo, Cr-Mo系列合金结构钢, 高铬铁素体不锈钢,18Ni-8Cr奥氏体不锈钢等用于热电站发电机组的转子用钢,大型工业设备用钢等。对钢中氢含量对各种钢机械性能的影响问题也做了实验。Brown-Firth Lab.19401947年先后发出的这三份报告都是英国钢铁研究协会钢锭委员会所属钢中气体、夹杂、小组支持的。这说明,1946年左右,对钢中氢研究已经转向从钢厂生产过程中脱除问题;从合金钢委员会发纹小组转向钢铁研究协会钢锭委员会所属钢中气体、夹杂、小组支持的Brown-Firth Lab.。也证明了,在193946年,英国合金钢研究委员会所属钢中发纹分会曾经委托Andrew和李薰研究合金钢中发纹的形成机制问题。所以必需进行研究的原因是,一般在碳素钢中生成的白点(Flake)形态比较简单,容易识别和判断。而在合金钢中发生的氢致发纹形态随着发生条件的不同变化很大,很容易同其它缺陷,例如串状非金属夹杂物,带状组织,淬火裂纹等缺陷混淆,形成误判。此外,当时的科学技术理论水平也很难令人信服,含量只有0.0001%(ppm)数量级的氢在钢中会引起这样严重的后果。这也是当时英国冶金界一直坚持称这种缺陷为发纹(Hair-Line Crack),不是白点(Flake)的主要原因。

  总之,二次世界大战时期,战争形势的需要,将一批从事解决钢中发纹的科学工作者推上了历史舞台。如美国Zapff,日本Kotaro-Honda ,Mastuyama Sosakawa Iki,德国的Houdremon, Schrader,C.Schwarz,H.Bennek,苏联的N.Chuiko,E.A. Klausting, 法国的L.Musatti,L.Guillet等人[24] 。在英国,Andrew,李薰这个研究集体在解决合金钢发纹发生机制方面为当时的军工生产的合金钢工业作出了供献。

  李薰等人提供的这一系列结合现厂生产工艺条件试验数据和结论对当时英国钢厂采取防止“发纹”措施提供了全套“定量”技术依据,对欧洲各国钢厂制订对合金钢缓冷规程也有很大影响。例如,在50年代在苏联出版又被翻译成中文的“钢中白点”,“钢中氢和氮”,“金属中氢”,“钢锭中气体和夹杂”等经典著作都以相当篇幅引证了李薰这些观点[1015]Smialowski1962年在美国出版“Hydrogenin Steel”, Melnick1974年在美国出版的“金属中气体元素的测定” 等书中都引证了李薰的这些观点或实验方法。

  1949Andrew和李薰发表了总计8万多字的对钢冷加工效应的一系列研究论文, 阐述对钢冷加工效应研究中有关实验发现和理论解释,对当年Andrew提出的假说进行验证。这些论文共分成五部分,由Andrew和李薰牵头署名。五部份为,(1) 碳对钢冷加工硬化性能的影响(张沛霖、方柄、R.Guenot)(2)冷加工对钢电阻影响(张沛霖、R.Guenot) (3)冷拔钢内应变X线研究(P.E.Brookes)(4)高速形变对钢的影响(D.V.Wilson)(5)冷加工对钢中氢行为影响(U.V.Bhat,H.K.Lloyd)。报告会由李薰作报告,在详细地描述了对钢在冷加工后一系列物理、力学、金相等方面的试验和观察结果之后,对Andrew的奥氏体理论假说进行了详细的讨论。最后的结论是,在正常的冷加工条件下,关于冷加工引起奥氏体转变的机制是不能成立的,只有在一些极特殊的条件下,如高速形变,在滑移面上局部突然放出大量的热,奥氏体理论才有可能成立。冷加工之后,钢在各种性能方面变化的根本原因在于铁素体和渗碳体中各种内应变效应所引起的。其中,冷加工引起钢中渗碳体发生内应变是第一次被发现。

  这一系列研究论文表明,Aandrew和李薰等人并没有达到他们的预期目的, 为钢的冷加工发展一个崭新的理论;是一个“失败”的记录。但是,其中关于冷加工对钢中氢行为研究这篇一万五千字的论文却是十分出色的,为Andrew和李薰等人在对钢中氢行为的研究业绩方面又攀登了一个新的高峰。当然,那已经是二十年后的事了,当时他本人也并没有意识到这一点。可以说是,“无心插柳,柳成阴”了。

  在冷加工对钢中氢行为影响的研究中,他们仍然沿用前文所用电解渗氢的方法重点研究了冷加工对氢在工业纯铁,30碳钢, 60碳钢和30Ni3Cr合金钢四种钢中的扩散速度和溶解度的影响。他们发现,在室温下随着对钢冷加工变形程度增加,氢在各种钢中的扩散速度均明显下降,钢中氢的“饱和溶解度”则明显相对应地增大。在研究中另一个重要发现是在冷加工条件下,氢在钢中的“饱和溶解度” 与钢的X线衍射谱谱线宽度变化有很好的相关性。冷加工钢在不同温度下回火处理时,随着回火温度的上升, X线谱谱线逐渐明锐,相应的氢在钢中的饱和溶解度也逐渐下降,钢的硬度变化与氢的饱和溶解度也有一定相关性,硬度越高,溶解度也越高,但有时两者不完全一致。对这一现象进行分析时,他们提出一个假说,认为在冷加工钢中由电解渗入钢的新鲜氢原子将扩散到钢中的晶界或嵌锒块界面的“微孔穴”处,并以氢(H2)分子形式被吸附在这些“微孔穴”的新生表面上而不再移动。冷加工的程度越高,钢中这些新生表面也将越多,所以钢中“饱和氢溶解度”也将越高。由于这些氢(H2)分子的堵塞,原子氢在钢中的扩散将变慢,所以,氢的扩散速度也随冷加工程度增加而下降。随着冷加工后回火温度升高,钢中的内应变逐渐减小,晶粒畸变逐渐恢复,反映在X线衍射谱逐渐明锐, 相应的这些能够吸附氢分子的界面大量减小,所以钢对氢的“溶解度”变小,而氢在钢中的扩散速度增大。在这部份工作中,他们测定了氢在不同的组织状态钢中,“粒状珠光体”,“片层状珠光体”和“淬火马氏体”,中的扩散速度。发现,在三种不同组织状态中,氢扩散速度的比值为2.8 : 1.6 : 1 , 即在“粒状珠光体”组织中氢的扩散速度最高,在“片层状珠光体”中氢的扩散速度降低了一倍,而在“淬火马氏体”中氢的扩散速度最低,只有在“粒状珠光体”组织中氢的扩散速度的三分之一。在钢中碳含量对氢扩散速度影响方面,他们发现,随着钢中含碳量从0.06%增加到0.6%,氢在钢中的扩散速度下降了近百分之五十。

  十年后,1960年,美国科学家M.L.Hill引用Andrew,李薰,Bhat, Lloyd等这篇论文中关于冷加工钢中的晶界或嵌锒块界面的“微孔穴”形成对“氢捕集陷阱”的理论设想和有关的实验数据,做为他纠正1949Darken,L.S.,Smith.R.P.当代第一次提出的“氢捕集陷阱”模型概念,而提出他的“冷加工氢陷阱”概念的主要实验依据。

  二十年后,1970年美国科学家Oriani教授在他首次提出钢中氢捕集陷阱理论的一篇在钢中氢行为研究中带有里程碑性质的论文中,接受了Andrew, 和李薰等人这篇论文中关于冷加工钢中的晶界或嵌锒块界面的“微孔穴”形成对氢“捕集陷阱”的理论,并且主要引用这篇论文的发表数据推导出对钢的冷加工“氢陷阱”的推算方法。

  1964年,美国研究抗硫化氢油井专用管的W.F.BrickellE.C.GrecoJ.B. Sardisco等人依据Andrew,李薰,Bhat,Lloyd的这篇论文中关于钢的珠光体, 马氏体等不同的组织状态对氢在钢中扩散速度有明显影响的观点和数据,提出对抗硫化氢油井专用管组织状态选用原则。

  二次世界大战时期在航空工业出现的另一个钢中氢缺陷问题是电镀航空用钢结构件出现的“氢脆”,由于比较复杂,到了1961年才做出了系统总结。其中,冷加工钢材由于电镀造成氢脆,是电镀氢脆中一个主要问题。1961年美国出版对钢电镀氢脆总结性著作中,引用了Andrew,李薰,Bhat,Lloyd的这篇论文中的观点和数据。 在5070年代美国出版的钢的失效分析著作中多次引用Andrew,李薰,Bhat,Lloyd的这篇论文, 做为电镀用钢冷加工氢脆机制的实验依据。

  总之,在5070年代全球石油天然气工业的开发,石油化工的发展,航空工业的发展又将金属中氢的科研工作推上了一个新的高度。当年Andrew,李薰,Bhat, Lloyd这篇论文提供的这一种冷加工钢中氢扩散,和氢陷阱数据成了全球发表得最早也是当时最完整的一批实验数据,为当时开展这方面研究提供了起点。当年同李薰一道从事这些研究工作的Lloyd也成了当代在金属中氢学术界的知名科学家。 1972年在法国召开金属中氢国际会议特邀李薰参加,坐在主席台上,全球从事金属中氢的科学工作者对他这个在金属中氢研究领域的先驱者表示了敬意。

  1951年,李薰被Sheffield大学授予Dr.Met.学位以后,就应邀回归祖国。他留英学习工作14年,从事冷加工研究和钢中氢的研究各7年,发表论文共九篇著作共29万字, 其中对钢的冷加工研究为先后两篇共12万字,对钢中氢的研究共17万字。他本来是以研究钢的冷加工为主业,研究钢中氢为突击性任务。但是,形势的需要却将他推上金属中氢的科学研究舞台。而在最后,他在这方面能够攀登新的高峰又是在他系统研究过的钢冷加工基础上对钢中氢研究的结果—冷加工氢脆。这一段经历给他了一个很深的烙印,对他归国以后的工作有很大的影响。

  三、建立金属研究所(19511981年,3767)

  1951年,李薰应邀回国后,负责筹建中国科学院金属研究所。在建所地点问题方面,李薰参照他在英国的经验,选择当时地处我国几个钢铁工业城市—鞍山(普钢),本溪(普钢、特钢),抚顺(特钢),大连(特钢)的中心城市沈阳为建所地点。他说, 沈阳地理位置相当英国的Sheffield ,又是机电工业的中心,是研究发展金属材料大有作为的地方。

  他在建所方案上,吸收了英国的经验。研究所主楼的布置方案,图书馆的布置,全所研究室的设置,充份地吸收了Sheffield大学和Brown-Firth Laboratory的经验。所不同的是,增加了一部份研究固体物理—位错的研究人员,突出了理论研究的比重。这可能与他在英国研究经历有关,他一直坚持要将金属研究所办成一个既能够为国家作出一些重大的成绩,又能够在金属理论工作方面作出有所突破成绩的研究单位。他希望作“举一反三”,“画龙点睛”的创始性工作,希望为国家工业做一个科技方面的火车头,一个培养人材,发展科学的基地。他对需要铺摊子,打阵地战的需要大量重复性的工业技术工作很不耐烦,认为做这些“低水平的重复工作”不是金属研究所的方向。他处理一般问题很通达,但是在办所原则方面,在实现他的主张方面,他是毫不“通融”的。在形势需要同他主张相冲突的时候,他宁可将配套的研究机构输出到其它部门去。

  19521960年,金属研究所建所初期,李薰将帮助东北这几个钢厂恢复生产,掌握现代化生产技术,结合钢铁工业需要作研究工作,做为金属研究所的一个工作重点。向鞍钢,抚顺钢厂,本溪钢厂,大连钢厂都派出了长期驻厂工作组。他吸收了当年Sheffield大学,Brown-Firth Laboratory的经验。在金属研究所建立和发展分析钢中气体氢、氧、氮和非金属夹杂物的技术,及时向这几个钢厂无偿转让成套设备,还帮助培训技术人员。并且利用这些先进技术帮助钢厂进行生产工艺改革和有关钢质量问题。例如,当年解决鞍钢生产中板夹层(lamination),重轨内裂(Blisting),60锰钢白点等炼钢材质量

  问题,制定重轨钢缓冷除氢工艺问题,改进重轨钢炼钢脱氧工艺实行沸腾出钢以降低钢水含氢量问题。结合国家资源条件研制铝镁系统平炉炉顶用耐火砖来代替铬镁炉顶用耐火砖问题,同中国科学院物理研究所吴乾章先生合作改进平炉氧化镁炉衬烧结质量问题,研制新型浮选剂提高铁矿选矿效率问题,提高烧结铁矿的还原性能问题。在抚顺、大连和本溪钢厂电炉特钢厂解决滚珠钢白点和非金属夹杂物质量问题,合金结构钢的发纹问题,研究推广当时在西方正在开展的氧气炼钢,真空处理,连续铸锭等先进工艺问题。李薰这些科研活动对推动我国东北炼钢工业技术进步起了很大的推动作用。到了50年代后期,这些钢厂的各项技术指标都相继达到了当时的世界先进水平。中国科学院金属研究所也成为当时冶金科研界的一面旗帜,在中国的材料界站住了脚。当时金属研究所在炼钢技术研究,钢中气体、非金属夹杂物分析,对钢质量事故分析处理水平,同当时的世界先进水平是不相上下的。李薰也成为当时中国冶金界的知名人物。1983年,我们访问日本九洲小仓新日铁属八幡钢铁厂时,新日铁副总裁说,“我们一直注意中国东北钢铁工业的技术水平,对你们那时的科研活动也从后来归国的日本人那里知道一些,你们在50年代干得不错,没花技术引进费,也同当时八幡钢厂的技术不相上下了。鞍钢落后于世界先进水平是从六十年代开始的。

  1960年左右,李薰经过一时期考虑以后,决定将金属研究所的工作重点转向军工,“两弹一机”,对各研究室做了大幅度调整。由于金属研究所工作方向改变,耐火材料研究室,选矿研究室,炼铁研究组各学科带头人先后提出离开金属所,分道扬标各奔前程要求。李薰也概然主动放行,将这几部份科研人员分别送到上海硅酸盐研究所,长沙矿冶研究所和北京冶金研究所。在这个时期,从事核原料的研究室也离开了金属研究所,建立了一个新研究所。后来,这些科研人员大多数都在各个领域做出了成就,同金属研究所始终保持着感情联系。在金属研究所工作过的科研人员离开以后, 大多数都有一种“这一段时期,是值得留恋的”的感受。从事核燃料研究已经离开金属研究所多年的姚汉武研究员在他生命垂危的时候,提出的最后要求是想见一见金属研究所去的同志,这时李薰已经去世了,姚的要求反映了一种内心深处感情上的需要。作为科研人员除了科学研究,除了日常生活,还需要有一种比较高层次的精神环境。李薰是一位有经验的科学家,他懂得这样一种环境气氛对发挥人们积极性的重要性。他努力为科研人员维持了这样一个环境,所以地处东北沈阳的金属研究所才能对科研人员有一点吸引力。在当时的形势下,李薰能够作到这一点也就相当不容易了。

  这时期金属研究所的工作转向与抚顺、本溪、大连、上钢五厂、大冶、长城等几个特殊钢厂。金属研究所的科研人员又变成了这几个钢厂,我国几个重点军工厂,和几个国家试验基地的常客。在这时期,金属研究所在航空发动机用铸造高温合金方面,人造卫星再入大气层抗烧蚀难熔合金复合板,固体火箭发动机碳素喉衬,人造卫星用高压储气瓶用超高前强度钢板和钛合金及配套的其焊接工艺等方面都相继取得进展。1985年,金属研究所航空发动机用铸造高温合金的工作得到国家科学技术进步一等奖。

  1991年我们访美参观HOUSTON附近NASA航天城时, 见到他们当年再入大气层的人造卫星体抗烧蚀护板,阿波罗登月火箭固体发动机的喉衬,几种储能高压瓶,其选材和工艺方案同我们当时的用材方案基本相同。在常规武器方面,1964年,金属研究所用了六个月的时间,就研制出来了制造超轻量无后座力炮用超高强度钢,所制造的无后坐力炮各项指标同1961年美国M67型无后座力炮完全一致。在导弹用钢方面, 金属研究开发的合金钢已经不是一两个合金钢种了,而是几个系列的合金钢种了。例如,目前已成为我国军用制式武器的反坦导弹某系列型号;地—空导弹某系列型号;地—地五百公里导弹所用的固体火箭发动机用超高度强度钢及焊接工艺全部都是金属研究所开发研制的。

  1971年李薰在处理我国重大航空质量事故——某飞机20框“冷加工电镀氢延迟破坏”工作中,应用20年前在英国从事这方面科研工作的经验只用了18天时间就实现了“事故再现”,在了两个月时间内搞清楚了这项事故的发生机制,向周恩来总理,叶剑英元帅,李先念副总理等中央领导直接做汇报,当面解释这项事故的发生机制和处理原则,得到周恩来总理的表扬,叶剑英元帅说:“科学家为维护我国空军作战实力作出了贡献。”从此,金属研究所又开拓了一个“失效分析”的新领域。

  在对关系到国民经济的重大科研工作方面,为了提高我国开发矿业钻机的工作效率,金属研究所在文革动乱时期发展了钻具专用合金钢系列,同钻具设计单位,制造工厂密切合作将我国的钻具性能提高达到国际先进水平,使我国制造的矿山钻具从进口转变为在国际市场占有一定份额的产品。于1985年得到国家科技进步一等奖。

  在进行这一系列为国家急需做科研工作的过程中,李薰始终注意建立和发展对钢中氢、氧气体和非金属夹杂物的分析技术工作。对研究钢中氢的问题也做了一定的安排。金属研究所是我国建立和发展钢中气体分析的创始单位,几十年来,在钢中氢的分析和研究方面一直保持着领先地位。

  李薰感到,一旦氢进入钢中,再进行固态除氢就十分不易,况且,对于高强钢,微量的氢即使不产生发裂,也已造成了氢脆,所以要想彻底解决问题,就要从钢铁生产的上游,即从炼钢过程入手,弄清楚氢在钢水中的情况。1953年,金属研究所刚建立,李薰主持的第一项科研工作就是到鞍钢和抚钢测定在平炉和电炉炼钢过程中钢水氢含量波动数值,得出一般在3.56.5ml/100gm(3.15.8ppm),平均值5ml/100gm(4.5ppm)的数据,与国外测定数值基本相符。这是我国第一批关于炼钢过程中钢水氢含量的准确数据。由此也建立了我国第一批钢中气体分析研究和测量队伍。

  详细的调查还发现,氢在钢中的波动与炼钢工艺有关,对电炉钢氧化法冶炼,钢液氢含量变化的规律是,(1)氧化初期氢迅速下降,然后趋平稳。(2)还原初期钢水中氢急剧上升,到电石渣形成时达到最大值。(3)电石渣形成后,氢又逐渐下降。 在熔化时吹氧或加矿石粉于渣面有显著的去氢效果。

  李薰认为在炼钢过程中,熔池上方的炉气组分中的水气是钢液中氢的主要来源之一。特别是焦炉煤气,含H2高达55%。当时炼钢界对此认识不足, 主要认为冶炼过程中进氢的主要来源是车间大气的湿度和炼钢原料,对于钢水氢含量的波动主要用冶炼温度的波动来解释。李薰在这一研究中首先分析了平炉热工制度中焦炉煤气和高炉煤气混合比例,以及空气过剩系数的变化对燃烧后废气中水气分压的影响。继之调查了在冶炼的各个阶段热工制度对钢水氢含量的影响。研究结果表明,在平炉冶炼时,钢液氢含量与炉气中的氢分压接近于平衡状态。从而肯定了冶炼热工制度的变化,导致熔池上方炉气组成的变化,最后引起了钢水中氢含量波动,这样一个因果关系。换言之,要控制钢中氢含量,必先从控制炼钢时的热工制度入手。这一发现为国内钢铁工业发展低氢冶炼技术找出了一个途径。

  在弄清氢在钢液中变化规律的基础上,李薰率领另一个研究小组继续研究氢在钢锭中的分布和偏析问题。当时,尽管一般都承认氢与其它合金元素同样在钢锭中会产生偏析,但只有很少的研究工作做过实际分析。而且由于实验数据太少,分析结果很乱。从这些有限结果中有人认为氢在钢锭 中心有很高的氢偏析。其主要来源于钢的γ─α相变驱动。另一些研究人员则认为,氢在钢锭中的分布是无规律的,即无偏析。李薰认为这种认识方面的混乱是由于在解剖钢锭时采样数据太少,而且采样中氢大量逸失,造成实验数据的混乱引起的。为了澄清这一问题,李薰改进了实验方法,采用室温下由于氢扩散率极低,而基本不损失氢的高铬不锈钢作为研究对象。对两个半吨钢锭退火后进行整体解剖。研究结果表明,经退火后的钢锭 ,尽管其平均含氢量仅及钢液含氢量的一半,但在某些局部位置上氢含量甚至规律性的高于钢液。进一步观察表明,退火钢锭的中心含氢量的最大值竟然高达它的平均值的三倍,这是由于钢锭中心的轴心疏松和钢水中氢的凝固偏析造成的。这些结果肯定了,在钢锭中的氢偏析是存在的,偏析的严重程度与钢锭最后的凝固部分相符。钢锭退火并不能很快消除这一偏析状态,特别地,由于发现钢锭中氢偏析受浇铸钢锭的中铸管影响,从而进一步肯定了氢在钢中偏析主要是由于钢锭的凝固过程,而不是γ→α相变过程。这种氢偏析现象的发现表明根据Fick第二定律预测的氢逸出过程与实际有较大的差别。实际扩氢退火所需时间可能要比理论值长得多。根据这些结果,李薰指出:“保证钢锭质量, 免除内部偏析和缺陷是生产中一个极其重要的关键”。

  四、任中科院副院长时期(19811983年,6670)

  1981年李薰被任命为中国科学院副院长以后,将金属研究所金属物理研究室分出去到合肥成立固体物理研究所,提议建立了金属腐蚀与防护研究所。

  1982年根据国家工作重点转向国民经济建设,主动同石油工业部联系,建立中国科学院同我国石油工业的长期工作关系,从此金属研究所的科研工作又开拓了研究石油化工材料的新领域。

  这时期,李薰考虑到应当交班了。他对自己的学生说,我当年归国有两个心愿,一个是建立一个研究所,为国家做一些事情;另一个是写一本书,在材料科学方面做一些贡献。前一个已经做到了;我想退下来以后,回到我的本行再做一点事情。

  几十年来对钢中氢行为的研究,使李薰成为国内外知名的科学家。然而,内心中仍然潜伏着两个愿望,如何能将氢在金属中的行为进一步搞情楚,如何能够既经济又彻底地解决工业中钢中的氢破坏问题。

  在他的支持下,金属研究所开展了对钢中应力集中微区域氢含量测定研究工作。1972年李薰出席金属中氢国际学术会议时,会上西德研究人员报告他们自60年代起,采用低氢冶炼的方法,即在平炉冶炼中通过加强钢水沸腾,提高钢水脱碳速度可以控制钢水中氢含量减小到发生白点的工业临界值(3ppm)以下,所生产的重轨从未发生过白点(发纹)。这一个经验给他留下了深刻的印象。1978年,地处我国西南云贵高原的我国新建钢厂—攀枝花钢铁公司传来信息,他们自开工生产以来,重轨热锯轨头白点发生率为零。这一意外的发现使李薰深为兴奋,彻底解决钢水中氢问题的兴趣强烈地吸引了他。李薰立即了解有关攀钢重轨钢生产的情况,当时分析了有三种可能的因素:

  (1)、攀钢炼铁用的矿石与其它钢厂不同,是钒钛磁铁矿, 其中微量的钒钛元素经炼钢后可能残留在钢中,形成氢的深捕集阱,由于钢中的氢难以自由活动,故不能向钢中缺陷处扩散集中,故表现为这种钢对发裂不敏感。

  (2)、攀钢当时是国内第一家采用氧气顶吹转炉冶炼重轨的钢厂,结合西德生产经验,钢水可能氢含量较低。

  (3)、攀钢地处气候极为干燥的攀西高原,钢厂所在地的海拔较高,气压仅有660mmHg。年蒸发水份量高达2,000毫米以上。这种干燥的地理气候, 有且于炼钢材料的脱水干燥 。换言之,车间环境有利于钢水的低氢冶炼。

  根据这个基本分析,李薰一方面安排了研究钢中沉淀TiC对氢捕集现象的课题, 并在金属所建立了相应的研究小组,另一方面,1982年经李薰倡议,中国科学院金属研究所和冶金部攀枝花钢铁公司使用,调查攀钢生产过程中氢含量变化的规律。

  1982年李薰又了解到,不仅攀钢,地处内蒙高原的包头钢厂,青海高原的西宁钢厂也有类似现象时。他极为兴奋,认为,在海拔一千米以上的高原建立钢厂是我国特殊环境条件所造成的,在国外很少。现在我国的高原钢厂很多,如果这些高原钢厂出现低氢冶炼现象的原因能够搞清楚,对这些钢厂的今后发展方向有很大好处。对我国发展西部国民经济是非常有利的。19833月初,李薰不顾当时肺炎尚未全愈, 抱病率领中国科学院和金属研究所一行人计划先到攀枝花后到重庆钢厂,武汉钢铁公司,西宁钢厂,内蒙钢厂作实地考察。不料到昆明次日,就发生了“高原反应”在睡梦中溘然长逝,享年70岁。当年华罗庚先生正在昆明,说“李薰病成这个样子,就不该出来”。几年以后,华先生以同样的方式在东京讲坛上逝世。

  李薰1937年进入英国的钢铁工业科研领域,由于在钢中氢问题研究工作成名异乡;归国以后,为我国的钢铁工业发展竭尽全力。在三十多年活动中,足迹所至,遍及全国的数十个重点钢厂。最后,为了我国西部钢厂的发展前途,为了研究钢中氢的问题,魂系西南高原春城。李薰的事业以“钢中氢”始,以“钢中氢”终,始终同“钢中氢”结了不解之缘。

  李薰的湖南同乡,研究钢中氢的著名科学家肖纪美教授在悼念李薰文章结尾用了诗人屈原“离骚”中的一个名句,“路曼曼其修远兮,吾将上下而求索”。这是李薰,华先生这一代科学家在科学研究道路上执着和追求,“春蚕至死丝方尽”精神最好写照。

  五、后记

  李薰的遗著,“低碳钢中沉淀TiC对氢的捕集”,1986年在金属学报发表; “工业纯铁中氢扩散及捕集行为研究,冷变形和退火α-Fe中的氢捕获”, 1990年在江西科学杂志发表。

  李薰生前安排的“低碳钢中氢捕集研究”1988年在第四届金属中氢国际会议上发表。李薰生前安排的“中国高原钢厂的冶炼特点”研究,1991年在联合国工业发展组织和美国金属学会联合召开的国际会议上发表。

  李薰走了,他给人们留下了近百万字的科学研究报告,留下了金属研究所,和他那个隐藏在“才识过人,咴谐幽默”作风深处的“正直、顽强、倔犟”气质。他给多病的结发老妻和三个女儿留下的是相当于街头卖冰棍老太太一个月收入的四位数存款。

  要想在科学领域中有所发现,就需要有这样一股劲,就需要一种能够培养出这种人材的环境。在科学研究领域中,对人的要求,需要有才华,更需要有一股“比较高的精神气质”。科研工作需要全力以赴,穷毕生之精力,能有所前进就很不错了。如果左顾右盼,分散精力,就很难有所成就了。

  李薰在国外成名较早,是很有才华的科学家。归国以后,开始想在自己的专业上攀登高峰。后来,几次运动将他的班底冲得七零八落。才看出,这样的想法不行,中国不是英国,没有安心做科研的条件。也不能靠别人为自己创造出这种条件。要想在科研方面做出成绩,只能靠自己的努力去创造这样一个科研集体环境,才能使科研工作不受干扰,来为国家做出大贡献。他比较机敏,几次风波都能够避免以刚直取祸,他的学生却陆续成了栖牲品。他这样做主观上是想维持金属研究所这个环境,想为国家做一点事情。其结果是,金属研究所对国家的工作贡献还是较大的,但是他在自己专业方面却付出了极大的代价。所以他的经历是值得研究的。

  李薰“才思敏捷,诙谐有度,书法毫放,慷慨磊落,外柔内刚”。的幽默和诙谐作风深处凝聚着英国科学界的严谨,固执和中华三湘才子的顽强,倔犟气质。金属研究所就是在他这种建所思想指导下办了三十年。

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