以民族工业为己任 三十载心血创贝钢
---记清华大学教授、新型贝氏体钢发明人方鸿生
清华大学材料科学与工程系教授 白秉哲
1996年9月10日上午，在英国钢铁公司斯维顿技术发展中心的会议厅内，来自曼彻斯特、舍菲尔德、利兹、伯明翰、诺丁汉、雪菲尔德海拉姆六所大学的金属材料界的知名教授、英国钢铁界专家和一群博士生们，正在倾听着一位来自中国的学者做关于“空冷贝氏体钢和贝氏体相变”的学术报告。他精辟的理论分析，翔实的实践论据，以及那有条不紊、清晰透彻的答辩风格使那些具有绅士风度的英国专家们对他投去了钦佩的目光。这位中国学者便是来自北京清华大学材料科学与工程系的方鸿生教授。他此行是受英国钢铁公司技术发展中心的特别邀请来这里讲学的。
今天，方鸿生教授不仅为他又一次站在国际科学的讲台上，来介绍出自我们中华民族的一种新兴系列钢种―空冷贝氏体钢而感到自豪，也为作为Mn-B（锰-硼）系贝氏体钢的发明人，与Mo-B（钼-硼）系贝氏体钢的发明人P.B.Pickering先生的又一次重逢而感到荣幸。这位谦和友善的著名科学家，曾任英国钢铁公司技术发展中心主席，当他再次见到曾是竞争“对手”的中国老朋友时，感慨和赞叹溢于言表：“贝氏体钢作为量大面广的一类新材料，你们获得了很大成功，前途远大，我们很佩服。你们解决了许多技术难题，朝前走了许多……”。
诞生的坎坷
本世纪30年代，美国人贝茵发现，钢从850℃迅速冷却到400℃左右等温时，有一种特殊的显微组织出现，具有这种组织的钢，既具有很高的硬度和强度，又有优良的塑性和韧性。为了纪念贝茵的发现，这种特殊的组织被后来的科学家命名为贝氏体，具有这种组织的钢被称为贝氏体钢。50年代初，Pichering先生发现在加入Mo、B等合金元素的钢中，可以在加热后的空冷条件下得到贝氏体组织，他经过近10年的努力，开创了Mo-B系贝氏体钢。然而由于Mo在矿藏中的储量低微，价格昂贵，Mo-B系贝氏体钢的发展和应用受到很大限制。能不能找到一种产量丰富、价格低廉的金属元素，从而产生一种物美价廉的新型贝氏体钢呢？各国科学家继续在进行贝氏体钢的探索。
70年代的中国，密布着文革的阴云，沉闷的科学界也远未迎来复苏的春风，但是身处逆境的科学家们却始终没有放弃追求科学、探索奥秘的信念。正是怀着这样坚定的信念，方鸿生在四川绵阳清华分校数年的劳动锻炼中，苦苦探寻打开贝氏体钢大门的钥匙。劳累一天后仍抱着报效祖国的赤子之心，挑灯进行开创性工作。尽管没有实验条件，也不允许进行任何科学研究，方鸿生利用前人和外国人的工作，利用金属材料科学，利用过去的知识和经验积累，在自己头脑中逐渐形成了系统的科学思路，为日后的成功奠定了坚实的基础。1972年返回北京，尽管科研仍没有被“解冻”，但经过“地上”和“地下”不同方式的研究，又有在钢厂工作的学生协助，终于找到开启贝氏体钢大门的钥匙，从而为空冷贝氏体钢开辟了一条新的途径―Mn-B系贝氏体钢。由于锰的原料价格是钼的原料的1/30～1/25，在我国又有丰富的资源，Mn-B系贝氏体钢比Mo-B系贝氏体钢具有更广阔的发展前景。Mn-B系贝氏体钢空冷自硬，具有良好的强度和韧性的配合；可以免除淬火或淬火回火的热处理工序，这样不仅可以节约能源，减少污染，改善劳动条件，而且可以避免因加热淬火而产生的工件氧化、脱碳、变形、开裂等缺陷，提高产品质量。Mn-B系贝氏体钢成本低廉，应用上量大面广，具有明显的发展优势。
党中央的改革开放政策打碎了束缚科研发展的枷锁，方鸿生和他发明的Mn-B系贝氏体钢迎来了科学的春天。然而，科学技术的发展总是要克服重重障碍，付出艰辛努力，才可以取得不断的进展。Mn-B系贝氏体钢从诞生的那一天起，就面临知识产权的维护问题。1977年，某钢厂的几个人提出合作研制贝氏体钢，方鸿生高兴地答应了，然而当按方鸿生的意图炼出几炉钢之后，钢厂的某负责人提出让方鸿生罢手，而由他们接过去。这岂不是要将多年来的艰辛工作的成果拱手相让，而且剥夺了方鸿生继续发展技术的权利？这件事让方鸿生深刻地体会到维护知识产权的重要，也更激励了他不断攀登科学技术高峰的决心，也更加开启了他思路的闸门，新的发明创造由此源源而生。在他最困难之际，他的研究生郑燕康毅然加入他的研究行列，从此，在新贝氏体钢的研究发展中，他有了一个与他长期同甘苦共患难、并肩战斗的伙伴。一个个优秀人才也先后加入创制贝氏体钢的研究行列。
研究、开发、推广的艰辛
呕心沥血、殚精竭虑换来的这份科研成果―新型空冷贝氏体钢，这一成果要真正在工业生产中应用，并产生效益，而且它还要不断发展，这就决定了方鸿生和他的伙伴要为此艰苦奋斗一生。一篇报道用下面的例子描述推广的艰辛：方鸿生教授在一个正月初三，外出为工厂解决贝氏体钢生产工艺问题，他在火车上站了十几个小时。方教授看了这篇报道，摇摇头笑着说：“看来记者很难对我们研究和推广的艰辛有切身体会。”是啊！要说工作、生活条件多么艰苦，连续工作多长时间没有吃饭和睡觉，这些对于方鸿生和他的伙伴们来说已经是家常便饭，不算什么。而研究、开发、推广中真正的艰辛要比生活、工作条件的困难大得多，是很难用语言来表达的。
走进贝氏体研究组的办公室，一张张奖状和展览柜中一个个贝氏体钢成功应用的零件，标志着贝氏体钢研究和推广的一项又一项成果。但是它们也记载下方鸿生和他的同事们艰苦奋斗的历程。每一项科研成果都需要经历“创新的思路―实验室研究―中间试验―小批量试生产―工业化试验―批量生产检验―应用检验”的全过程，其中每一个环节都是克服了重重困难才能取得成功。这些困难包括科学、技术方面的，也包括管理、人际关系、经济利益安排…等诸方面。其中任何环节上的一个小小事物都会导致严重后果，甚至功亏一篑。每一项研究的全过程中都像在走钢丝，特别是作为项目负责人，为每一步的困难和进展寝食不安，思想上和精神上的压力和挫折才是对科研人员真正的考验和磨练。以下仅举一例说明这种艰辛。
作为新型Mn-B贝氏体钢系列中之一的新型空冷粒状贝氏体钢就是其中一个典型的例子。它作为非调质钢在汽车和石油工业的应用项目进行过程中，虽然它的优越性是鲜明的，但是它经受的磨练前前后后长达二十年的时间。
调质钢是机械行业大量结构件广泛使用的材料。所谓调质是指钢的“淬火+高温回火”的工艺，“淬火”就是将需处理的工件加热到“奥氏体”单相温度（一般在900℃左右），保温一定时间后进行水冷或油冷，冷却后的工件再放入一定温度（例如500～600℃左右）的炉中进行回火。调质处理需要专门的设备，需要消耗大量能源；在工件加热和淬火过程中会产生氧化、脱碳、变形、开裂等缺陷；工人劳动条件恶劣，还会对环境造成污染；…所以多年来许多科学技术工作者探讨不用或可以简化热处理的非调质钢。德国、美国、前苏联、包括我国的一些研究单位和工厂已经研制出了若干种免除调质的非调质钢，但是这些钢或者需要添加比较昂贵的合金元素，或者对冶炼设备及工艺的要求比较苛刻，或者在其他生产设备或工艺上需要具备特殊的条件，而且这类钢虽然强度与原来的调质钢相近，但是韧性却有一定差距，所以目前应用范围还很有限。
清华大学、东风汽车公司（二汽）、攀枝花钢铁集团公司、唐山贝氏体钢总厂等单位合作，在清华大学贝氏体钢多年研究工作的基础上，发展了组织类型为粒状贝氏体的非调质钢。这类钢的强度和韧性都可以和调质钢相比美，而由于省去了淬火或淬、回火工艺和设备，避免了加热―淬火中产生的缺陷，改善劳动条件，减少环境污染，因此具有显著的经济及社会效益。然而这样一个科研成果的研究推广应用，从1978年立项开始，历经了“实验室研究―钢厂从小到大不同容量的炼钢炉炼钢―锻造实验―冷加工―装车、装机试验―稳定在120吨电炉冶炼―稳定在12000吨液压机生产线上锻造成形汽车前桥―稳定装车应用…油田抽油杆的生产及应用…取得效益”等一系列过程，风风雨雨二十多年。在这二十多年中，为克服每一个障碍，取得每一个进展，方鸿生和项目组的同志们付出了全部的心血和努力。在小炉冶炼成功后，为了能在120吨转炉实现工业化生产，方鸿生和项目组攀钢的陈长白做了多少精心的准备。而真正要在120吨转炉冶炼时，方鸿生、陈长白和项目组的其他同志又夜不能寐、坐卧不宁。因为120吨转炉是攀枝花钢铁公司的重点设备，在冶金部都在册，出不得半点差错，承担了非常大的压力。哪怕冶炼正常，要是钢的质量不合格也会产生几十万元的损失。
冶炼成功的欢愉很快又被下一步在东风汽车公司应用的困难所代替。…技术上的困难和问题对于教授和工程师们是理所应当去克服和解决的，而管理体制和人为造成的障碍，却有时让教授们感到束手无策。某个人会因为非技术的原因，甚至个人的意愿，利用手中的权利将正在正常前进的项目打入“冷宫”。为之奋斗的教授和技术人员们叫天不应，叫地不灵，等到“感动了上帝”，过了这一关，几个月、甚至几年过去了。…
贝氏体非调质钢已经在东风汽车公司的5吨、3吨、1.5吨货车的前桥上稳定地使用，目前已经装车3万余辆，使用性能良好，未发现任何质量问题；唐山贝氏体钢总厂每年生产一万多吨低碳空冷贝氏体钢应用于油田抽油杆，符合ISO10428规定的抽油杆力学性能及尺寸精度要求，经辽河、吉林、中原、大港、大庆、冀东等油田使用，普遍认为高于20CrMo抽油杆的质量，除了满足油田稠油，长冲程大泵提液采油需要，还减少了断杆事故。
新的材料、新的技术、新的产品要代替传统材料、传统技术、传统产品，是一种革命，决不会轻而易举取得成功。方鸿生和他的战友们艰辛的付出换来一个个成功的硕果。
事业的繁荣
二十年的奋斗换来一个项目的成功，十几种产品和十几个项目的成功也同样是心血的结晶。
--新型空冷贝氏体非调质钢：已如前述，贝氏体型非调质钢是清华大学首创，以独特的途径在低成本条件下获得性能优良的非调质钢，已经在汽车、石油等行业得到大量稳定的应用。贝氏体非调质钢方面的成果在1997-1999三年中新创产值1.4亿元，产生效益3900多万元。
--贝氏体钢球：磨球是广泛应用于矿山、冶金、电力、建材、化工等行业的重要易耗件，仅国内年耗量就高达100多万吨。东南亚及澳洲等主要国际市场的容量在500万吨以上，其巨额消耗引起人们高度重视，国际国内许多专家都花费大量精力从事新型耐磨材料的开发，但未能圆满解决。新型贝氏体钢磨球是磨球产品中的佼佼者，不仅在高硬度下钢球表面及心部的硬度近于一致，而且韧性高，破碎率低。产品出口澳大利亚等多个国家。在各种恶劣环境下，长期稳定使用，效果理想，被誉为“钢球皇”，
--贝氏体钢耐磨铸件：耐磨铸钢件市场需求量巨大，现大多数使用高锰钢铸件，但高锰钢起始硬度低（约HB210），使用中若冲击载荷不足则不能发挥其性能潜力，因此耐磨性差，使用寿命难以提高。人们力图利用加入合金元素的方法进一步提高高锰钢的加工硬化能力，但这增加了成本及工艺难度。
Mn-B系贝氏体―马氏体复相铸钢具有硬度高（HRC≥50），成本低（仅用少量Mn、B普通元素）、使用寿命长等优点，成本比高锰钢降低，而寿命可以提高。用该系列铸钢制造的大型耐磨铸件具有非常可观的前景。贝氏体铸钢耐磨件已经在矿山、建材、发电等行业的多个用户得到应用，取得了良好的经济和社会效益。例如山西大同矿务局洗煤厂磨煤机的大型齿盘原来都是采用进口，花费大量外汇。采用了清华大学贝氏体钢齿盘后，使用寿命比进口齿盘还要长，而造价大大降低，节省了外汇，取得显著的效益，得到使用部门领导和群众的高度评价。
--贝氏体钢中厚板材：清华大学与济南钢铁集团公司合作，在没有添加贵重元素，没有增加精练设备，没有增加控轧控冷条件，没有增加热处理设备的条件下，利用济钢原有设备条件，生产出具有优良强度、韧性和可焊接性的中厚贝氏体钢板。可用于制造大型风机叶片、大型汽车起重机、高性能工程机械、战壕挖掘机等。济钢技术中心在技术总结中指出：这是济钢钢板生产中的一个重要里程碑。
--贝氏体钢武器材料：利用贝氏体钢制造的某先进型号的炮弹弹体，各项性能指标超过其它弹体材料，得到军方的高度评价。现在贝氏体钢正在进行先进导弹弹体材料的试验。
--道岔用贝氏体钢：原有的铁路道岔不能满足铁路提速的需要，现在正在进行高速铁路用贝氏体钢道岔试验，已经取得初步效果。
--离心铸造耐磨传输管材：冶金、矿山、选矿厂、洗煤厂、发电等行业对各种大口径传输耐磨管的需求很大，但这些传输管使用环境恶劣，要求管材耐磨、高硬度、抗冲刷，且焊接性能良好。贝氏体离心铸管硬度高、耐磨损、焊接性能良好，且生产工艺简单、成本低，具有十分优越的市场竞争力。
--建筑用贝氏体高强度钢筋：建筑用钢筋用量很大，稍有改进即可带来重大效益，我国高强度钢筋的生产水平远远落后于国际水平，与国内外市场需求有很大差距。正在开发的空冷贝氏体钢筋具有成本低、综合性能优异、工艺简单等特点，因此具有广泛的推广应用前景。
--高强度贝氏体弹簧钢：弹簧要求有高的疲劳极限和屈服强度极限，并有足够的淬透性与强韧性配合。贝氏体弹簧钢利用空冷自硬、免除淬火、空冷淬透性高以及具有优良组织的特点，在保证高性能的前提下，既简化了工艺，又提高了使用性能，并且显著降低了成本。
……等等。
美国某大钢铁公司得知清华大学贝氏体钢的技术后，提出以几百万美圆独家购买，并以高额年薪聘请方教授到该公司工作,许诺可将方教授的直系亲属接到美国。方教授凭着一颗爱国的心，谢绝了对方的请求，他要让这个“钢宝贝”继续为祖国的建设服务，使祖国的贝氏体钢事业更加繁荣。
清华大学在贝氏体精细结构和相变等方面的理论和实验研究中也居于领先地位，方鸿生教授已发表专著3部，论文200余篇。方鸿生用“树大根深、根深叶茂、叶落归根”的哲理来看待理论研究与科学实践的关系，特别强调理论与实践的相互交融。也正是深深扎下了理论基础之根，才使新贝钢日益“枝繁叶茂”。
正是以雄厚的理论为基础，贝氏体钢已经发展成为具有低碳、中碳、中低碳、中高碳等的材料系列。先后获得国家发明二等奖、国家教委科技进步甲类一等奖、乙类一等奖、两届北京国际发明展览会金奖、联合国知识产权组织和中国专利局联合授予的中国专利发明创造金奖等奖励，取得中国三项、美国三项、澳大利亚和新西兰各一项的发明专利。
国家对于贝氏体钢这一“新生命”给予大力的扶植，贝氏体钢先后被列入“八五”、“九五”国家科技成果重点推广计划，国家科委还在清华大学挂上了“贝氏体钢研究及推广中心”的牌子，清华大学也把贝氏体钢列为十大重点推广方向之一。
贝氏体理论、贝氏体钢的技术进步和推广应用正在形成良性循环，产学研结合不断取得经验，贝氏体钢事业必将在我国的经济建设中创造更重要的经济及社会效益。
