冶金专家:肖纪美

作者:中国科学技术专家传略              发布时间:2014-04-29


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    肖纪美,材料科学家、金属学专家和冶金教育家,中国科学院院士。长期从事钢铁冶金、金属材料和金属物理的教学和科研工作。在发展铬锰氮不锈耐热钢中,提出合金设计新方法,开创节镍不锈钢的研究;开展工程结构件断裂分析,发展断裂学科;在材料应力腐蚀和氢致开裂研究中获得新成果。在教育事业上,提倡用自然辩证法和科学方法论指导教学、科研,学术思想不断创新和发展,为我国冶金科技事业和冶金教育事业的发展作出了重要贡献。

  肖纪美,又名肖继美。1920年12月出生于湖南省凤凰县一个书香门第,家教很严。1933年他考入湖南省长沙市私立明德中学,抗日战争爆发后,于1938年2月回乡参加抗日宣传活动,与高小同学唐智白(共产党员)合办《大众呼声》刊物,宣传抗日。肖纪美自幼喜欢自然科学,想走科学救国之路。1939年考入交通大学唐山工学院,在矿冶系学习。1943年7月毕业,获矿冶工程学士学位。1945年3月经人介绍,任重庆国民政府兵工署二十八厂技术员,从事硅铁的生产和钨铁的研制。1947年在南京国民政府经济部中央标准局任技士,从事外文翻译及工业标准引进工作。当时,他深感我国冶金技术落后,决心出国学习西方先进技术,参加留学考试合格,于1948年2月赴美国留学,1949年1月,获美国密苏里大学矿冶学院冶金学硕士学位,1950年8月获冶金学博士学位。此后,在美国林登堡钢铁热处理公司、爱柯产品公司和美国坩埚钢公司从事研究工作,在金属学和冶金学方面积累了工业应用研究的经验。在此期间,对铬锰氮系不锈钢进行了相图、相变和力学性能方面的系统研究,发现了一些规律,获得了一项专利。

 

  中华人民共和国成立后,1951年肖纪美在美国接到天津北洋大学的聘书,订购了船票,准备回国参加祖国建设,但由于美国政府的阻挠,无法成行,又留美6年。在此期间,我国政府通过外交途径,为在美国的留学生回国参加建设创造了条件。1957年,肖纪美毅然决定回国。美国政府先以扣留肖纪美年仅3岁和1岁的两个孩子为要挟,阻挠其回国。通过交涉,肖纪美才得以登船。登船后,美国政府又借检查为名,扣留他的全部存款(此存款直到1972年中美建交后才解冻),胁迫肖纪美改变决定。尽管遇到种种波折,肖纪美全家终于在1957年7月30日回到了阔别近10年的祖国。

  回国后,肖纪美任北京钢铁学院(现北京科技大学)教授、金属物理教研室主任,现任材料失效研究所所长。

  回国30多年来,肖纪美深入实际,主要从事合金钢、晶界吸附、脱溶沉淀、晶间腐蚀、断裂失效及氢致开裂等领域的研究工作。1974年以来,肖纪美领导的科研集体,综合运用金属物理、断裂力学和腐蚀科学学科的成就,一方面解决了国家经济建设和国防建设中许多重要材料的断裂和质量问题,曾4次获冶金部及国防科工委奖励;另一方面结合实际开展应用基础理论的研究。1981~1985年,肖纪美是国家科委基础研究两个重点项目“金属腐蚀机理研究”及“金属材料微观结构和力学性能研究”的主持人,1986~1990年是国家自然科学基金重大项目“金属材料断裂规律及机理若干问题研究”的负责人。1979~1988年先后在国内外一级学术刊物上发表论文156篇,得到了国际科技界同行的好评与重视。由于在这方面的突出贡献,1987年,他的“材料的应力腐蚀和氢致开裂机理的研究”获国家自然科学二等奖。先后6次应邀在国际专业学术会议上作大会特邀报告,并受邀到美国、日本、德国、加拿大、澳大利亚、巴西等国讲学,在国际材料界有较高的学术声誉。同行们认为,以肖纪美为首的研究集体的工作“在世界范围内处于科学进展的领先地位”。

  长期以来,肖纪美为培养我国社会主义建设人才,始终坚持工作在教学、科研第一线,教书育人。为金属物理专业的大学生、研究生讲课、编写教材。肖纪美不仅在学校讲课,还应邀到各类培训班和全国20多个省、市讲学,传播先进的材料科学知识。他的讲课深入浅出,生动活泼,深受广大学生和听众的欢迎。由于他在教育上的突出贡献,1981年至1990年,他先后获得北京科技大学优秀教师、北京市教育系统先进工作者、全国冶金教育劳动模范、国务院优秀归侨的称号。

  1978年他被聘为国家科委冶金新材料组和腐蚀科学学组成员;1980年当选为中国科学院学部委员0993年改称为院士)。自1979年起,历任中国科学技术协会第四届全国委员;中国腐蚀与防护学会第一、二届副理事长,第三届理事长;中国金属学会理事、荣誉会员,材料学会理事长;中国稀土学会常务理事等职。

  肖纪美为人正直,直言不讳,即使在“文化大革命”中受冲击的情况下,仍坚信只有中国共产党才能领导全国人民实现社会主义现代化。他在师生中享有崇高的威望,在普选中两次当选为北京市海淀区的人民代表。1985年4月以65岁的高龄加入了中国共产党,完成了从一个“科学救国论者”向共产主义战士的飞跃。

提出合金设计新方法开创节镍不锈钢的研究

  第二次世界大战结束后,随着各国化工、石油、动力及军事等工业的迅速发展,需要大量含铬镍的不锈钢。由于世界上镍资源缺乏,价格昂贵,限制了不锈钢的生产和发展。50年代中期,肖纪美在美国增埚钢公司工作期间,首先接受美国军方提出的研制能在650℃以上温度工作的节镍不锈耐热钢的任务,历时3年,先后冶炼了200多炉试验用钢,通过系统研究相图与相变,寻求代镍的合金元素--锰、碳、氮,找出能形成稳定奥氏体相组织的区域,确定成分的浓度范围。进一步研究了加入不同强化合金元素:钒、钨、钼、铌、硅、硼对相界和相变的影响。他通过一系列的研究发现,可以用锰、氮部分或全部代替奥氏体不锈钢中的镍,肖纪美首次提出节镍奥氏体不锈钢基本成分设计和力学性能计算的方法和计算图。该钢种要形成完全奥氏体组织所需的最低碳、氮含量可通过下列公式计算:C十N=0.078(Cr—12.5)。根据计算图还可以从设计的成分计算出合金的拉伸强度、屈服强度、650℃下1000小时的断裂强度及洛氏硬度。这种合金设计方法,改变了过去传统的设计方法,为科学地设计合金开创了新路,获得了美国的专利。肖纪美研制成功的Cr-Mn-C-N节镍奥氏体不锈钢,通过加入强化的合金元素得到的W90和W92钢,其高温蠕变断裂强度优于当时美国航空工业上常用的高温合金A286。先后发表学术论文5篇。此后不久,美国不含镍的奥氏体不锈耐热钢正式投产,迅速发展,并在高温合金、不锈耐酸钢、高强无铁磁性材料、高强结构材料等领域正式扩大使用,并形成标准钢号。1957年肖纪美回国后,结合我国实际继续研究节镍不锈钢和耐热钢的新钢种,对我国铬镍氮不锈钢的发展作出了重要贡献。

开展断裂分析发展断裂学科

  对于广泛使用的金属结构材料,腐蚀磨损及断裂是3种主要的失效形式。断裂往往是突发性的,不易预见,危害很大。长期以来,肖纪美在金属力学性能的教学和科研过程中,十分重视对工程构件的断裂分析和研究,对断裂学科的发展作出了贡献。

  自1974年以来,肖纪美一面从事断裂力学的教学和研究,一面应用断裂力学的知识和方法,开展对我国冶金、机械、石油、化工、电讯、电力、铁道、建筑、航空航天、兵器、原子能等工业部门工程构件的断裂分析和安全性评价。1974年对航天部门生产的超高强度钢的安全性进行评价后,肖纪美就开始了对金属“断裂韧性”的研究,此后相继对“油井套管的环状断裂”、“高强预应力钢筋的脆断”和“坦克钢板高速低温脆断”进行分析;1975年受航空和电力部门工厂的委托进行“飞机起落架安全性评估和寿命预测”以及“2.5万千瓦燃汽轮机叶轮和5万、10万千瓦发电机转子”进行安全性评价;1977年开始进行了“2.5海炮炮栓断裂”、“14.5舰用机枪枪机开裂”和“轰六尾翼紧固螺栓断裂”事故的分析。1980~1985年又相继开展了“重水厂不锈钢设备的开裂分析”,“电子设备中蒙乃尔合金及硅片的漏气分析”,“生产氧化铝容器的漏碱分析”,“x50、x60油气管线用钢的失效分析”和“炮用蝶形弹簧的开裂分析”。

  50年代末期以来,对金属构件的断裂分析和安全性评价,主要通过测定材料的断裂韧性K1c(即材料抵抗裂纹扩展的能力)来确定。以肖纪美为首的课题组,在开展工程构件的断裂分析中,从宏观的断裂和断口形貌,深入到金属的金相组织(如奥氏体晶粒度、魏氏体组织等)结构,一直到原子、电子层次,并对影响因素进行逐个研究,而后进行计算,运用断裂力学、断裂物理、断裂化学理论进行分析,再通过模拟试验进行验证,最后提出预防和改进措施,形成了一套完整的工程构件断裂分析方法,并在国防工业学术会议上进行了介绍,得到了同行专家和工业部门的好评。

  对工程构件的断裂分析和断裂力学研究,解决了一批工程中的断裂问题和产品的质量问题,获得了显著的社会效益和经济效益。肖纪美先后发表了学术论文10余篇,出版了专著《金属的韧性与韧化》(1980、1982年),对发展断裂力学理论和断裂学科作出了重要贡献。1985年创建了北京科技大学材料失效研究所,1986年成立了“环境断裂开放实验室”。

材料应力腐蚀和氢致开裂研究的创新成果

  工程构件和设备通常是在受力状态和一定的环境中使用。材料在应力和化学介质的协同作用下引起的断裂现象叫做应力腐蚀断裂。由于氢引起的材料塑性下降、开裂或损伤的现象称为氢脆或氢致开裂(有时亦叫氢损伤)。应力腐蚀和氢致开裂是两种相互联系又有区别的材料失效现象。对这两种现象早在40年代已有人开始研究,到了60和70年代成为材料科学中十分活跃的领域。1977~1985年,以肖纪美为首的科研集体针对我国建设中的实际问题及发展前沿科学的需要,对材料的应力腐蚀和氢致开裂机理开展了系统的研究,通过实验揭示了许多新的现象,提出了新的概念和新的机理,在国内外学术刊物上共发表了200多篇论文,取得了创造性的成果。

  以往的教科书中认为:“只有拉应力才产生应力腐蚀断裂”,肖纪美等人通过实验发现,在多种系统中压应力可以导致应力腐蚀断裂;同时查明稀土元素能提高低合金结构钢抗硫化氢应力腐蚀能力的机理。

  氢致开裂是应力腐蚀的一种类型(还有另一种是阳极溶解型),它是高强钢在受力和含氢环境中经常发生的一种破坏形式,危害很大。早在40年代,我国著名科学家李薰、丘玉池、孙德和就开始了钢中氢的研究,当时主要集中研究钢中氢的含量、存在形态以及对钢开裂的影响。肖纪美综合运用断裂力学、材料物理和材料化学的理论和实验方法,系统深入地研究了氢致开裂的机理,获得了一系列新的成果。实验发现扭转型裂纹或缺口试样可以引起氢致开裂;提出了比较符合实验结果的氢分布的波尔兹曼规律。在剪切裂纹或缺口前沿,证实氢在多向的最大正应力处偏聚,产生氢致开裂,而裂纹则是沿着最大剪应力方向扩展;用超高压电镜跟踪观察到钛合金的氢致开裂过程,用离子探针证实了氢在钛合金应力腐蚀和氢致开裂过程中的富集,用X射线衍射法跟踪和阐明了奥氏体不锈钢的氢致相变和开裂过程。通过多方面的实验,证实氢能促进塑性变形,提出了氢致软化原理。实验发现氢能降低奥氏体不锈钢钝化膜的稳定性,使阴极极化曲线明显的右移。依据硅单晶中氢致裂纹的尺寸和棱柱位错的环数,及功和能的关系,从结构参数确定氢气的内压,并获得氢降低铁或铝结合键的定量数据,从而首次得到了氢致开裂机理--氢压理论和弱键理论的定量依据。通过系统分析,从材料相图中含氢相所产生的各种变化--形变、相变、化学变化,及其对氢致开裂的影响和作用分析,统一了现有的各种氢致开裂机理。上述研究被国内外同行誉为“最系统的研究”。国家科委在1986年26号简报中指出:“以肖纪美教授为首的科研集体,在《金属材料的应力腐蚀和氢致开裂机理的研究》中,首次提出了“断裂化学”这个新的分支学科,成为继“断裂力学”、“断裂物理”之后断裂学科三大理论支柱之一。他们还在氢致开裂、应力腐蚀、腐蚀疲劳等方面提出了一系列经过实验证实的独创的新见解,形成了我国自己的学派,并逐步为国际同行所公认。

  对阳极溶解型应力腐蚀系统,肖纪美等人采用多种研究方法,确定了正应力分量的主要作用以及氢的协助作用,提出了新的观点,发表了20余篇论文。

传播科学知识,培养科技人才

  肖纪美从1957年回国后,30多年来长期担任北京钢铁学院(现北京科技大学)金属物理教研室主任,始终坚持在教学第一线教书育人,长期给金属物理专业的大学生、研究生讲课,曾主讲过《热力学》、《金属材料学》、《腐蚀金属学》、《合金相理论》、《金属物理》、《断裂力学》、《金属的韧性与韧化》、《合金能量学》、《材料科学方法论》等课程,并编写了10多种教材,其中《合金能量学》被国家教委评为1987年全国优秀教材。肖纪美编写的教材内容有鲜明的特色和创见,体现了教材建设的新思想。他把“能量学”、“方法论”等交叉学科知识引入教学内容,给学生以新的思想启迪。原金属物理专业教学计划中只讲授《合金热力学》,肖纪美首次开设《合金能量学》,他把经典热力学的知识进行外延,首次用能量的观点来分析合金的过程、结构和性能,而后应用热力学、统计物理、弹塑性力学、表面力学、固体物理等基础知识,根据合金的结构计算合金的能量,提出了过程的三原理和能量分析方法,使专业课具有新的内容和思路。

  从1962年到1991年,肖纪美共培养了60多名研究生,其中8名获博士学位。

  肖纪美不仅在学校授课,还应邀到全国各地讲学,热心传播先进的材料科学知识。从1977年到1991年,他到全国23个省市及6个国家讲课,作学术报告280次,共计1300多小时,听课的有12万多人次。他的讲课深入浅出,生动活泼,深受听众欢迎。

  肖纪美教书育人,关心学生的全面成长,十分注意培养学生独立工作能力。他经常以自己的切身体会教育学生关心政治,热爱党,热爱社会主义。他说:“搞科学脱离政治就不了解国家的需要,……只有根据国家的需要来选择研究课题才有价值。”他治学严谨,对学生的要求既亲又严,经常嘱咐学生“看书做实验不要搞得太晚,要注意身体。”在审阅研究生论文时,从文字、内容,直到标点符号,他都一丝不苟,有时还大段改写,他的研究生反映说:“有这样的导师,是我们的幸福。”

  1962年以来,肖纪美在长期教学、科研的基础上,已出版专著8部,共320万字,有些被评为全国优秀教材,其中《材料的应用与发展》1991年获优秀科技图书二等奖。肖纪美根据该书内容编导拍摄的20小时电视科教片《材料的应用与发展》已在中央电视台教育频道正式播放。此外,他还参加了《金属腐蚀手册》、《腐蚀与防护全书》的主编工作。这是肖纪美在教学、科研实践中20多年辛勤劳动的硕果,也是对培养人才,传播科学知识所作的重要贡献。

学术思想的创新与发展

  肖纪美勤奋好学,注意不断更新知识,学术思想活跃。他不仅在学术上有较高的造诣,而且十分重视材料科学发展战略的研究。他常说:“人的生命在于新陈代谢,学科的发展在于交叉结合。”他坚持认真学习辩证唯物主义和历史唯物主义,用科学的宇宙观和方法论指导科研和教学实践,发展新的学科体系,这是肖纪美事业获得成功的重要因素之一。近十几年来,他学习自然辩证法,学习系统论,结合材料科学实际,在学术上不断提出新的思想和观点。在材料科学体系中,他主张微观与宏观结合,自然科学与社会科学结合,建立“材料学”与“宏观材料学”新的学术体系,受到了同行的重视与好评。他还考虑如何应用普里高京(Prigogine)的耗散结构理论,研究材料科学各种开放系统的问题。

  肖纪美喜欢博览群书,善于博采众家之长,他说:“这可以陶冶情操,开拓思路,在交叉结合中发展学科”。他在读书札记中有这样两段话:“中华民族是个韧性很高的民族,他的优秀文化传统,既有儒家的实用理性,又融合了道家清醒的冷静和理智,这是中国知识分子智慧的本质。”“所谓冲击韧性,按材料科学的定义,即受冲击而不断开。我们中华民族是个多民族的大家庭,她受到历史上无数次冲击而没有解体,这是和她悠久的文化分不开的。世界上任何一个民族也无法比拟。”这种理性认识,坚定了他热爱祖国的信念。

  “莫道桑榆晚,为霞尚满天”。肖纪美虽已过七十高龄,但思维敏捷,身体健康,精力充沛。他那热爱科学,献身科学事业的热情,和勤奋学习,勇于开拓,奋进不息的精神,将永放光辉。


简历

  1920年12月 出生于湖南省凤凰县。

  1939~1943年 交通大学唐山工学院矿冶工程系学习,获矿冶工程学士学位。

  1943~1945年 任湖南省乾城县国立八中,省立十三中数理教员。

  1945~1946年 任重庆国民政府兵工署二十八厂技术员。

  1946~1947年 任南京国民政府经济部中央标准局技士。

  1948~1949年 美国密苏里大学矿冶学院学习,获冶金工程硕士学位。

  1949~1950年 美国密苏里大学矿冶学院学习,获冶金学博士学位。

  1951~1955年 任美国爱柯产品公司研究冶金师。

  1955~1957年 任美国匹兹堡坩埚钢公司研究冶金师。

  1957年~ 任北京钢铁学院(现北京科技大学)教授、金属物理教研室主任、材料失效研究所所长。

主要论著

  1 Hsiao CM,Schlechten AW.Appareo Vapor Pressure of Several Metal Sulfides.J.of Metals,1952,(4):65~69.

  2 Hsiao CM,Dulis EJ.Precipitation Reactions in Austenitic Cr-Mn-C-N Stainless Steels.Trans.ASM,1957,49:655~685.

  3 Hsiao CM,Dulis EJ.Phase Relationshipin Austenitic Cr-Mn-C-N Stainless Steel.Trans.ASM,1958,50:773~802.

  4 肖纪美,铬锰碳氢奥氏体不锈耐热钢的研究.金属学报,3.1958(2):138~180.

  5 Hsiac CM,Dulis EJ.Effects of Interstitial Carbon plus Nitrogen and Precipitation Reactions on the Properties of Austenitic Cr-Mn-C-N steels.Trans.ASM,1960,52:855~877.

  6 肖纪美.金属材料的腐蚀问题--腐蚀金属学.北京:中国工业出版社,1962.

  7 肖纪美,周政谦.铈在工业纯镍中的净化及合金化作用,稀士应用论文集--基础部分.1965:65~69.

  8 肖纪美.金属及合金的晶间腐蚀问题.全国腐蚀和防护科学和技术会议报告集.1966:3~13.

  9 肖纪美.高速钢金属学问题.北京:冶金工业出版社,1976(1978年第二次印刷).

  10 Chu W,Hsiao CM,Li S.A New Engineering Fracture Toughness Parameter KISCC(9).Scripta Metall,1979,13:1057~1062.

  11 褚武扬,肖纪美,林实.关于表面裂纹的研究,力学学报.1979(3):294~297.

  12 肖纪美.金属的韧性与韧化.上海:上海科技出版社,1980(1982年第二次印刷).

  13 Hsiao CM.Chu WY.Some New Aspects of Hydrogen Damage.Hydrogen Effectsin Metals.AIME,1981:255~268.

  14 Xiao,C,Jiang B,Hsiao C.Calculation of the Pressure in the Hydrogen Induced Cracksin Silicon Single Crystals.Scripta Metall,1981,15:97~100.

  15 Tien Z,Chang X,Hsiao C.Positron Annihilation study on the Distribution of Defectsin the Plastic Zone of a Crack Tip.Scripta Meta1l,1982,16:1383~1386.

  16 肖纪美,沈华生.防止多晶硅生产设备中不锈钢腐蚀问题的理论基础.稀有金属,1982,1(2):3~15.

  17 肖纪美,职任涛,刘昌其.奥氏体晶粒异常长大的理论和应用.特殊钢,1982(6):1~13.

  18 肖纪美.不锈钢的金属学问题.北京:冶金工业出版社,1983.

  19 Chu W,Yao J,Hsiao C.SCC of Austenitic StainlesS Steel under Compres StresS.Corrosin,1984,40:302~306.

  20 黄显亚,朱祖芳,肖纪美.非均匀应力场下氢在Ti-5Al-4V中的再分布及其对断裂性能的影响.金属学报,1984,20(3):A182~188.

  21 肖纪美.合金能量学.上海:上海科技出版社,1985.

  22 张统一,褚武扬,肖纪美.氢致表观屈服应力下降的原因—氢促进塑性变形机理.中国科学,1986(1):A316~326.

  23 肖纪美.材料论与系统论.中国机械工程学会材料学会第一届年会论文集,1986:12~20.

  24 肖纪美.材料性能分析方法.新型材料与材料科学,1987,109~132.

  25 肖纪美.合金相及相变.北京:冶金工业出版社,1987.

  26 肖纪美.材料的应用与发展.北京:宇航出版社,1988.(1991年第二次印刷)

  27 肖纪美,朱逢吾.材料的失效分析,性能预测和结构设计.新材料研究,1988:1~10.

  28 肖纪美.合金的能量与过程.仪表材料,1989.11(5):1~11.

  29 王燕斌,褚武扬,肖纪美.氢致解理断裂机理.中国科学,1989,A1065~1073.

  30 Xiao J.Some Contribution to the Understanding of the Mechauism of Hydrogen Induced Cracking of Materi-als.Hydrogen Effects on Material Behavior,TMS,1990:845~860.

  31 肖纪美.应力作用下的金属腐蚀.北京:化学工业出版社,1990.

  32 肖纪美.断裂化学中的若干重要问题.第六届全国断裂学术会议论文集,1991:738~746.

  33 Xiao J.The Mechanism of SCC of Austenitic Stainless Steelsin Hot Chloride Solution.Corrosion Control,7th APCCC,1991:3~15.

 

 

 

 

 

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