书城传记中国航空工业人物传·专家篇
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第8章 周尧和 物理冶金学专家

周尧和(1927.5—),河北深县人,物理冶金学专家,中国科学院院士。1950年毕业于清华大学机械系,1953年被选派去苏联莫斯科钢铁学院攻读研究生,1957年获技术科学副博士学位。回国后在西北工业大学任教。1983年起任第一、第二、第三届国务院学位委员会学科评议组成员,1988—1991年任中国铸造学会理事长,6次任我国代表团团长参加国际铸造会议,并于1988年当选为国际铸造学会执行委员,1993年任国际铸造学会主席。周尧和曾于1986年获国家科技进步奖,1990年获国家发明奖三等奖,2003年获陕西省科学技术一等奖,1991年获航空金奖。1979年被国务院授予全国劳动模范称号,1986年被评为全国优秀共产党员,1989年被授予为改革和发展教育事业做出重大贡献的教育工作者称号,1991年获中国机械工程界最高荣誉——科技成就奖。1991年当选中国科学院院士。

1957年,从苏联留学归来的周尧和被分配到西北工业大学(简称西工大)。他立下志愿,一定要和大家一起奋发图强,把铸造专业建成中国同类学科中最优秀的。他的发展规划第一步就是建一个国际水平的实验室。3年后全国热加工专业教材会议在西安举行,与会专家们到西工大参观,出乎他们的意料,在这里竟看到一个如此完备、国内其他地方没有的铸造实验室。周尧和的发展规划第二步是开展科研。他回国后做的第一项科研是:在认识到航空及火箭技术的发展对大型轻合金铸件的需求日益增多后,选择金属充填铸型问题。通过理论分析,他推导出一个考虑了铸件、铸型和涂料层3部分换热作用的分析式,并得出涂料层厚度大于某一临界值后,在充型阶段其作用相当于半无限大铸型这一重要结论。1965年他们的研究成果“具有宽结晶温度范围合金的充填铸型能力”在《高等学校自然科学学报》(机械动力版试刊)上发表,令国内铸造界为之耳目一新。

“文化大革命”后,为了缩小与国外的差距,周尧和的原则是做对国家的经济发展和铸造水平的提高有重大意义的课题。当时,我国年产铸件约600万吨,和国外相比,由于生产工艺落后,我们的铸件不仅质量差,而且粗大笨重,其中补缩用的冒口占铸件重量的40%~100%,而这些冒口最后是要切除的。他想,如果能把现有的冒口体积减小一半,全国可以节省的材料、能源和劳力的数字将是惊人的,何况大量过热的液态金属流经铸型还会引起局部过热,造成铸件缺陷。他决定以保温冒口为切入点,推动现行铸造工艺的改革。他在推导出一个保温冒口设计式的基础上,首次提出效能系数的概念以及利用这一系数估算保温冒口效益的方法。完成的论文以令人信服的理论分析和试验结果证明了保温冒口在节材节能方面的显著功效。这篇论文在1978年第三届全国铸造年会上被推荐为参加1979年第46届国际铸造会议的中国官方论文。这是国际铸造学会恢复我国的成员国资格后举行的第一次会议,论文被安排在大会上第一个宣读。论文宣读后获得一致好评。这次会议不仅让世界看到中国铸造界已有高水平的学术研究,而且中国铸造界也由此鼓起了加速赶上国际先进水平的信心。从1980年开始,国内铸造界掀起了一场研究和应用保温冒口的热潮,推动了铸造现代化的步伐,产生了巨大的经济和社会效益。这项成果1986年获国家科技进步奖。

20世纪80年代,国际铸造业的发展重点是轻量化、精密化、整体化,而国内大型薄壁复杂铸件的成形仍是一个难题。周尧和经过长时间的探索,提出一项新的铸造方法的构思。两年后这一方法试验成功,可以清晰地铸出局部厚度为0.5毫米的铝合金铸件。航空航天等领域一些难以成形的重要部件就是用“调压成形精铸法”制成的。周尧和1990年获国家发明奖,1991年获航空金奖。20世纪80年代他还主持了一项“六五”国家科技攻关项目“大型铸钢件凝固控制”。项目组成功解决了葛洲坝大型水轮机叶片及30万千瓦发电机组高压外缸铸件的质量问题。1987年全国金属材料学科博士点单位进行评估,西工大铸造专业被评为同专业中的第一名,实现了周尧和30年前立下的志愿。

还在留苏期间,周尧和便对铸造过程中的凝固问题产生了兴趣,回国后一直关注着这一领域的研究进展。1983年,他和研究生黄卫东、黄韬等建立了国内第一个透明模型合金凝固过程实时观测实验室,以非平衡自组织理论为指导,对单相强制性凝固的组织形态形成及演化过程进行系统的研究。他们开创了在透明模型合金凝固研究装置的Hale-Shaw试样盒内获得给定取向的单晶和密排多工位区熔提纯的技术,并使激光超高温度梯度定向凝固的温梯达到106开/米;在国际上首先证实凝固界面形态选择具有显著的历史相关性,把凝固界面形态选择的动力学必然性和统计学随机性统一在一个数学模型中;建立了一个统一描述从低速到快速凝固过程组织形成的自洽的理论模型,否定了最小过冷度原理;提出高梯度绝对稳定性的概念并给出数学判据,揭示出有可能通过引入超高温度梯度来获得无亚结构和无偏析凝固;把作为凝固理论基石的界面形态稳定性理论发展到与实际过程更为符合的非稳态理论,并建立了一个考虑溶质组元非线性作用的多元合金凝固理论模型。这些成果2003年获陕西省科学技术一等奖。

1986年,周尧和率先在国内开展“大体积液态金属深过冷快速凝固”研究。他和杨根仓教授、研究生魏炳波等从零开始,建成了国内第一个深过冷快速凝固实验室。从20世纪90年代开始,这个团队以深过冷快速凝固为主要试验手段,潜心研究非平衡相变过程控制及组织形成规律的热力学和动力学,包括非平衡凝固理论、固态转变理论、非平衡凝固技术、组织演化规律和相场法数值模拟,并取得多项进展(发展了非平衡凝固中的平界面稳定性及自由枝晶生长理论);阐明了非平衡凝固组织的演化规律,提出了非平衡凝固动力学模型;建立了多场耦合的相场模型,实现了对多枝晶、共晶等复杂凝固方式的模拟;发展了形核/生长类相变动力学解析模型,扩展了“等动力学”原理;提出了单相合金亚稳平衡晶粒尺寸的确定模型,描述了晶粒正常长大的热力学-动力学混合机制。经过多年耕耘,他的研究团队在这一领域取得了丰硕的研究成果,先后在国内外重要刊物上发表论文200余篇,其中获省部级科学技术奖4项。

1989年,西工大铸造专业以凝固学基础研究、定向凝固、无余量精密铸造等方向的成果,通过评审和实地考察,被批准成立“凝固技术国家重点实验室”。周尧和任实验室的第一届学术委员会主任。

从1983年到1992年,周尧和6次担任我国参加国际铸造会议的代表团团长,这使他有机会持续地掌握世界铸造发展现状及趋势,并及时向国内反馈。1988年他当选全国铸造学会理事长后,又在第55届国际铸造会议上当选为国际铸造学会执行委员,开始参与其组织领导工作。在任期内,他做的一件最有意义的事是1991年在国际铸造学会执委会上,他针对铸造业普遍存在的污染环境问题,建议组织一次以“铸造与环保”为主题的技术论坛,以唤起全球的关注。这一建议立即被采纳并决定由他负责组织。1992年论坛在巴西圣保罗举行。那一年恰逢各国首脑在巴西里约热内卢签署关于可持续发展的《里约宣言》,从而赋予这次论坛更积极的意义。1993年他任国际铸造学会主席,主持了在荷兰海牙召开的第60届国际铸造会议,并争取到1995年在北京举办第62届大会的机会。

周尧和长期从事凝固理论与凝固技术研究,主持了多项国家科技攻关项目及国家自然科学基金课题。1981年周尧和被国务院学位委员会评定为首批博士生导师,1984年培养出国内的第一个铸造专业博士。根据多年的经验体会,周尧和总结了一篇“从严、重导、求新”的研究生培养心得,并获国家优秀教学成果奖。迄今周尧和已培养博士52名,硕士27名。在这一领域已毕业的博士生中,有5人获德国洪堡研究基金,1人获中国青年科学家奖,1人获全国(百篇)优秀博士学位论文。现在他们已是中国凝固学界的中坚力量,西工大凝固技术国家重点实验室也已成为活跃在国际凝固学界的团队之一。

周尧和1991年当选中国科学院院士。