形状性能兼备 承载制造梦想——材料成型及控制工程专业

供稿|陈树海，王永金，杨耀华，宋仁伯

在日常生活中，我们会接触到各种各样的金属材料，小到用来写字的笔尖、喝水的不锈钢保温杯，大到在马路上飞驰的汽车、在海上航行的万吨巨轮，甚至在太空中飞行的航天器都是由金属材料制成的。金属材料已经渗透到我们生活的每个角落，无时无刻不在改变着我们的生活，可以说金属材料无处不在。

我们所看到和使用的金属材料形态多样、功能迥异，那么，你们知道这些形状是怎样被制造出来的么？这就要靠我们的专业——材料成型及控制工程来实现。

不管是工业用品还是艺术品，无论你想将金属变成何种形状，我们都可以通过专业的技术把他制造出来。准确地讲，材料成型及控制工程是研究如何将材料加工成可用产品和零部件的基础理论与工程技术专业。材料成型及控制工程专业领域面向国民经济的主战场，是制造业的支柱。引领中国“速度”的高铁、代表中国“高度”的航天飞船、承载中国“梦想”的大飞机，一项项大国重器已成为中国走向世界的名片。而在这些彰显大国力量的重器背后，我们材料成型及控制工程专业从未缺席！

专业内涵解析

如何将看似普通的金属材料百锻成型、铸炼大器呢？这就需要用到材料成型及控制工程专业的三大绝技，既固态成形技术、液态成形技术和连接成形技术。有了这三大绝技，我们可以轻易地将金属材料加工成可用产品和零部件。随着社会经济的不断发展，工业对金属制品的品质和形态要求日益提高，这三种材料成形技术几经融合发展、推陈出新，出现了很多新的材料成形技术，如3D打印技术[1]、半固态成形技术[2]和搅拌摩擦加工技术[3]。下面，我们将进一步探究这三大绝技。

百变成材的固态成形技术

你知道高速铁路百米重轨、高速轮毂是如何制造的吗？你知道C919飞机起落架、涡轮叶片是如何制成的吗？你知道长征火箭整流罩、铝锂型材是如何成形的吗？这些大国重器关键零部件的制造均离不开固态成形技术。

固态成形技术，又称为金属压力加工技术，是指利用金属材料在外力作用下的塑性变形能力，来获得一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的加工方法，所以说固态成形是一种百变成材的技术。固态成形的目的主要有两个：一是改变材料的形状，使其能够符合使用要求。另一个是改善其性能，使其更加坚固耐用。从小到几克重的精密医疗器件大到几百吨的巨型锻件，从薄如蝉翼的手撕钢到能够抵御炮弹袭击的装甲钢，无处不体现着固态成形技术的强大功效。

当然，除了国之重器的生产加工外，固态成形技术在我们日常生活中也有着广泛的应用，比如不锈钢灶具、各种建筑型材，甚至日常生活中的螺钉和螺母也离不开固态成形技术(图1)。

无孔不入的液态成形技术

图1 固态成形技术典型产品

你知道航空发动机高性能叶片是如何制造的么？你知道汽车发动机是如何制造的么？你知道芯片里面的基础材料单晶硅是如何制造的么？你知道国家博物馆的古代青铜器是如何制造的么？这些国之重器或者国宝的制造都离不开液态成形技术。

液态成形技术也称为铸造，是通过重力或者外力作用，把液态材料充填至型腔中，凝固冷却获得所需尺寸形状的制品，所以说液态成形是一种无孔不入的技术。液态成形技术可生产各种复杂形状制品，且生产工艺简单、成本低、效率高。从古至今，液态成形技术在人类社会发展史中都扮演着重要的角色。

在古代中国，古人相继发明冶铜、冶铁和独特的液态成形技术，铸造礼器、农具、工具、兵器等大批器物，促进生产力的发展，为华夏文明的发展奠定了物质基础。中国古代铸造精品后母戊鼎、四羊方尊等青铜器就集中体现了古人在液态成形技术应用上的高超技艺，其在生产生活中的重要作用一直延续至今(图2)。时至今日，传统的液态成形技术仍然支撑着国家制造业的发展，我们利用传统砂型铸造技术制备的多缸体汽车发动机具有复杂的形状和内部结构，这项技术为汽车提供强劲动力。同时，随着社会发展对高性能材料的需求，液态成形技术不断发展、革新，已开发出多种液态成形新技术并得到广泛应用，液态成形技术已成为国家装备制造业和国民经济的基础。我们利用定向凝固技术制备的具有柱状晶或单晶组织的高温合金叶片展现出优异的高温抗蠕变性能和抗氧化性能，使航空飞行器飞得更高、飞得更快、综合性能更强。

化零为整的材料焊接与连接技术

你知道“天宫二号”为什么能在太空运行而不发生泄露？你知道 “蛟龙”为什么潜入几千米的深海而不发生爆裂？你知道我第一艘航空母舰“山东号”的舰体为什么能够长达数百米？你知道被誉为电脑心脏的芯片是如何与外界电路进行电气互联的么？这些国之重器的建造或器件的微观互联都离不开材料焊接与连接技术。

材料焊接与连接技术是通过某种物理化学过程使分离的材料产生原子或分子间的结合力而连接在一起，所以说材料焊接与连接技术是把彼此分离的金属连接起来，形成理想的构件，是一种化零为整的技术。材料焊接与连接不同于铆接、螺纹连接、咬合等机械连接技术，材料焊接与连接本质上是原子或分子层面上的冶金连接，具有强度高、密封性好并且不可拆卸的特征。材料焊接与连接技术是一项古老而又年轻的连接技术。说它古老是因为最早的钎焊技术可以追溯到几千年前；说它年轻是因为上世纪初电弧焊才被发明，而直到两次世界大战后，这项技术才正式走向工业应用领域并日臻成熟。

从理论上讲，只要可以实现原子或分子层面的冶金连接均属材料焊接与连接技术范畴，而我们日常所熟知的电弧焊仅仅是材料焊接与连接技术中的一种。实际上，近年来新的焊接与连接技术层出不穷，从精细的激光焊、玄妙的搅拌摩擦焊到各种电子元器件的封装互联技术均推动着现代工业的发展。今天，倍受国内外关注的3D打印技术(或者增材制造技术)也是材料焊接与连接结合现代数字化制造技术手段发展起来的一种重要制造技术。当今现代工业领域，从微米级别的芯片封装互联技术，到数百米长的航空母舰，从飞向太空的宇宙飞船，到探入海底的深潜器，从天上飞行的飞机，到地上奔驰的汽车，材料焊接与连接技术始终扮演着不可或缺的重要角色(图3)。

图3 材料焊接与连接技术的典型应用

专业历史沿革

北京科技大学材料成型及控制工程专业历史悠久，可以追溯到1952年建校时最早成立的“轧钢”专业，1953年更名为钢铁压力加工专业，1981年成为国家首批硕士点、博士点，1985年设立全国第一批博士后流动站。1988年7月本专业依托的金属塑性加工评为国家首批重点学科。2001年，本专业经过学科调整合并铸造研究所与焊接方向，并更名为材料成型及控制工程专业。2002年本专业依托的材料加工工程再次评为国家重点学科，2010年我校申报教育部“卓越工程师培养计划”四个特色专业之一“材料成型及控制工程方向”(4+2，本硕连读)，并获得批准。本专业依托的材料加工工程学科是国家“211工程”重点建设的学科，也是首批国家“985工程”优势学科创新平台建设的学科。自2005年以来，完成国家级科研项目(国家自然科学基金、国家攻关、973、863、国家推广等)80余项，与宝钢、鞍钢等大型钢铁企业合作研究开发项目130项，先后获得国家和省部级科技奖励60余项(含国家科技进步一等奖2项、二等奖5项，国家技术发明奖1项)。近十年来，出版专著教材30余部，共获7项教学成果奖(含1项国家级教学成果奖)。本专业科研与教学水平等都处于国内前列，并在国际上具有较大的影响，为促进我国国民经济和国防军工等领域的重点基础与支柱产业的科技进步及快速发展做出了重要贡献。

本专业目前专任教师48人，其中具有教授(含研究员)职称的教师25人，具有副教授(含副研究员)职称的教师14人。其中有中国工程院院士3人(含双聘1人)、长江学者奖励计划特聘教授1人、国家杰出青年科学基金获得者1人、国家千人计划1人、国家973计划项目首席科学家1人、国防973计划项目首席科学家1人、国家“万人计划”科技创新领军人才1人，国家“百千万人才工程”第一、二层次入选者1人、教育部新世纪优秀人才1人，北京市科技新星2人。

专业培养特色

从本专业的发展历史来看，本专业的人才培养目标一直瞄准于国家与社会的重大需求。专业培养体系也由原来单一的压力加工逐步演变为涵盖固态成形、液态成形和连接成形三大方向，实现了对材料成形技术领域的全覆盖，使毕业生的专业能力大大拓展，成为材料加工领域的复合型人才。

为实现“厚基础、宽口径”人才培养理念，北京科技大学材料成型及控制工程专业一直积极参与并引领国内教学改革工作，不但授之以“鱼”而且还授之以“渔”。基于扎实的专业基础理论，针对各种材料成形技术，本专业设置了大量的限选课程，供学生根据自己的兴趣专修某一类材料成形技术，授学生以“鱼”。本专业的核心课程体系围绕材料加工方法(包括固态成形、液态成形与连接成形)与材料组织性能之间的关系这一核心基础内涵开展，授学生以“渔”。

本专业培养的学生具备“一专多能”特点。“一专”指的是学生至少精通一种材料成形技术；“多能”是指由于学生具备扎实的专业基础理论，在毕业后的工作和学习过程中遇到其他材料成形技术时能够掌握技术精髓，迅速进入工作状态。正是由于本专业的学生具备扎实的基础理论知识，受到国内外著名大学的普遍欢迎，大部分学生选择出国或在国内深造。另一部分学生选择就业，凭借“一专多能”技术能力，成为各个企事业单位的新宠，迅速成为单位的骨干，甚至成为部门或单位主要的负责人。

结束语

海阔凭鱼跃，天高任鸟飞。北京科技大学材料成型及控制工程专业一直瞄准国家重大需求，适时调整专业培养目标与培养方案，并基于学科的优势地位积极开展科研攻关，取得了丰硕的科研与教学成果。科研水平及成果、高层次人才培养等都处于国内前列，并在国际上具有较大的影响，为促进我国国民经济和国防军工等领域的重点基础与支柱产业的科技进步及快速发展做出了重要贡献。