柯俊院士與金屬物理
轉自科史文苑 金屬物理學是研究金屬和合金結構與性能關系的科學，既是金屬學在微觀領域的進一步深入，也是以金屬和合金為對象的固體物理學的一個分支。20世紀50年代以后，電子顯微鏡的使用、多種能譜技術、電子的非彈性散射等實驗方法為金屬物理的發展做出了重要貢獻。柯俊是中國金屬物理專業的奠基人，其學術成長及后期的學術貢獻與他早期的留學經歷密切相關。 一、留英十年 英國，是近代工業革命的發源地，在當時有著雄厚的國力和科研實力。1944年英國化學工業公司提供給經濟部6個去英國學習的名額，柯俊如愿以償，到英國伯明翰大學理論金屬學系學習。 柯俊的導師是當時著名的金屬學家漢森（Daniel Hanson）教授，他是英國第一代研究金屬物理的科學家，是英國國家物理實驗室的創始人，他與夫人一起進行的鐵鎳合金的研究成果在英國的鋼鐵研究史上功勛卓著。而柯俊是漢森教授招收的最后一名親自指導的研究生。漢森教授對科學求真求實的精神和踏實勤奮的態度深深地影響了柯俊日后的科研之路。 1945年柯俊在英國伯明翰大學校徽前 1948年柯俊在英國伯明翰大學理論金屬學系與同事們一起研討系務 （右起Robert Cahn，時任講師，后為劍橋大學教授、英國皇家學會會員、法國巴黎大學教授、中國科學院外籍院士；Tsun Ko；柯俊，時任講師；Alan Cottrell, 時任講師，后任劍橋大學材料及冶金系系主任、副校長、英國皇家學會會員、英國政府材料總顧問、授爵士勛；Tommy Wright，時任高級講師） 2001年柯俊再訪英國專程去導師漢森教授墓前緬懷 柯俊在研究生的第一年，選擇“銅的再結晶”作為研究課題，隨后研究“低碳鋼在焊接時的變化”課題。1946年到1947年，他先后擔任了英國焊接研究所研究員、英國鋼鐵研究協會助理等職務。同時還參加并負責相變動力學研究組，從事合金相變機理的研究工作。 柯俊接受了英國鋼鐵協會下達給漢森教授的科研課題，闡明鋼中產生過熱和過燒的理論機制。他通過簡單的金相方法，證明了硫化錳在高溫加熱時可以在鋼中溶解，冷卻時在晶界或某個晶面上析出，導致脆化。 柯俊的博士論文題目是“貝茵體的切變機制”，1948年12月獲得英國伯明翰大學自然哲學博士學位，后留校任教。1951年，柯俊獲得終身講師任命。 1948年攝于英國伯明翰大學博士畢業典禮后 自1950年起，他發表了與博士論文相關的文章多篇，主要包括：1950年與導師D．Hanson在 Journal of Iron and Steel Institute上發表文章“Grain boundary phenomenain severely heated steel”，1951與J．A．Wheeler，V．Kondic，在同一期刊上發表文章“Effect of Initial HeatingTemperature on the Mechanical Properties of Ni-Cr-Mo Steels ”，1952與A. Cottrell在同一期刊上發表文章“The Formation of Bainite”，此文被師昌緒先生稱為“不朽之作”。 1951-1952年英國伯明翰大學冶金學會全體會員合影，前排右起第6人是柯俊 二、創建金屬物理專業 柯俊銘記漢森教授的臨別贈言，“回國后搞科研就去研究所，辦教育要到高等學校。前者輕車熟路，深入一點就容易出成果；后者辛勤耕耘，但是桃李滿天下，影響更大。”柯俊充分認識到鋼鐵工業對于新中國建設的重要性，1954年4月夫妻二人到北京鋼鐵工業學院報到，開始了執鞭教學、辛勤耕耘的教師生涯。他在金相及熱處理教研組擔任教授，為金相熱處理專業講金屬物理課，教會老師和學生使用金相實驗室中進口的蔡斯光學顯微鏡，指導相55、相56級學生作畢業設計等。 1955年，柯俊被任命為新成立的物理化學系主任。北京鋼鐵工業學院的領導們審時度勢，同意了柯俊建立金屬物理專業的建議，并授權他負責籌備事宜。金相教研組內成立了由柯俊、張興鈐、方正知、謝逸凡、蔡美良等參加的金屬物理小組，開始著手籌建金屬物理專業。 1956年6月，學校正式批準成立金屬物理教研組，9月第一批金屬物理專業學生入學。北京鋼鐵工業學院金屬物理專業是世界第二個、中國的第一個金屬物理專業，為后來全國金屬物理專業的建立提供了范例。如柯俊應葉企孫教授之邀，為北京大學物理系金屬物理專業授課，擔任金屬物理教研室主任。 為了提高從事金屬學及金屬物理專業教學人員的業務水平，自1956年開始，柯俊組織了系列專題報告會。被約請的知名學者有林蘭英、王大珩、師昌緒、錢臨照、彭桓武、李蔭遠、劉益煥等。報告內容包括了金屬的范性形變、相變、位錯、組織結構等，聽眾踴躍，效果非常好。 當時，金屬物理教研組面臨的首要任務就是為首屆（61屆）學生開設專業課。但初創的金屬物理專業既無教學大綱可循，也無教材可用。在這種情形下，柯俊、張興鈐、肖紀美、方正知四位教授迎難而上，分別負責金屬物理各主要領域的教學工作，參考國際上的研究方向，總結國際上的最新成果，結合我國的實際國情，開始授課。為了彌補金屬物理專業教材與實驗指導書的匱乏，柯俊花費了大量的心血來翻譯1951年由蘇聯莫斯科鋼鐵學院編撰的《鋼鐵及非鐵金屬合金金相圖片集》，該金相圖片集于1956年5月由科學出版社出版。 由于名師薈萃，北京鋼鐵學院的金屬物理專業走在全國前列，于1981年成為首批博士點，1988年成為國家教委頒布的首批國家重點學科。 柯俊翻譯的《鋼鐵及非鐵金屬合金金相圖片集》 上世紀50年代末攝于理化樓前 李恒德（左一），肖紀美（左二）、柯俊（左三）、方正知（右三）、高詒善（右四） 1960年長春全國第一次固體物理會議 柯俊（右二）、錢臨照（右四） 1970年代柯俊給干部講課現場 改革開放后，柯俊等把國內外材料領域最著名的科學家邀請到北京鋼鐵學院交流并講學，并聘請一些科學家為北京鋼鐵學院名譽教授，如英國牛津大學Hirsch教授和Christian教授、美國Cohen教授和Thomas教授、德國Hassen教授和Dahl教授，瑞典Hiller教授，加拿大Purdy 和 Piercy教授，日本橋本初次郎教授等。 1983年在柯俊的大力邀請下，加拿大McMaster大學Piercy教授以客座教授身份，為金屬物理專業研究生用英語講授《晶體缺陷》一個學期。柯俊希望他按照在加拿大講課的內容和方法進行教學。 柯俊還邀請了國內許多相關院所的著名學者擔任兼職教授，指導、培養碩士和博士研究生，如郭可信、錢臨照、李方華等，他們都是相關領域的先驅或領軍人物，在國際上很有威望。 在學校的支持下，著眼于學科的長足發展，柯俊先后推薦并派出陳難先（美國）、周政謙（英國）、吳杏芳（美國、英國）、平云（英國）、柳得櫓（加拿大、日本）、王蓉（瑞典、澳大利亞）、朱逢吾（德國）、王佩璇（加拿大）、魏鎏英（瑞典）、陳清（英國）、孫永謙（英國）、宋志毅（日本）、宋明輝（日本）、陸致龍（日本）等青年教師和研究生到英國牛津大學、英國劍橋大學、美國加州大學伯克利分校、加拿大麥克馬斯特大學、瑞典查爾斯默斯工業大學、澳大利亞悉尼大學和日本岡山理科大學等著名學府，以訪問學者或博士生聯合培養的方式，進行電鏡科研和材料學方面的科研和學習，使得我國電子顯微鏡科研與教學水平迅速與世界接軌。 1980年新當選中國科學院學部委員的三位北京鋼鐵學院教授 魏壽昆（左）、柯俊（右）、肖紀美（中） 1983年柯俊與金屬物理專業研究生討論問題 2006年慶賀柯俊院士九十華誕暨北京科技大學材料物理與化學系創建50周年大會 三、提出貝氏體相變切變理論 上世紀50年代以前，國際金屬學界都認為貝茵體（現在一般稱之為貝氏體）轉變是由鋼中的原子擴散控制的，擴散學派成為當時解釋這一現象的主流學派。1951年，柯俊在研究的過程中首次發現并提出鋼在固溶體分解發生相變時貝茵體轉變的切變位移機制，證明其是與珠光體、馬氏體不同的相變，建立了貝氏體相變切變理論。這一突破性成果在國際上引起了極大的反響，并逐漸形成了全世界對這一現象研究的主流學派——切變學派，已得到英國劍橋大學、牛津大學、美國伊利諾伊大學、麻省理工學院、加州大學，以及歐洲、日本等金屬材料科學學者們的認可。 柯俊在貝氏體研究上所做出杰出貢獻得到充分肯定，歐共體1966年出版（英、德、法文）的由A. Schrader和A. Ros主編的De Ferri Metallographia一書第二卷“Fundementals of Metallogaphia”中，把鋼中切變機制生成的無碳貝茵體稱成“柯氏貝茵體”，其本人也被以Cohen教授為首的許多國外同行稱為Mr.Bain（貝茵體先生）。 回國后，柯俊從未間斷對合金中貝茵體相變機理的深入研究，1954年至1956年間，多次發表論文。1957年柯俊“關于奧氏體共格性的轉變機構”項目獲中國科學院頒發1956年度科學獎金（自然科學部分）三等獎，由中國科學院授予中國科學院科學獎章、獎狀、獎金。這是北京鋼鐵工業學院建校以來的第一個國家級科研獎。 1984年５月24日，鑒于在相變理論及促進中國和加拿大科技文化交流上做出的重要貢獻，加拿大麥克麻斯特大學授予他榮譽理學博士稱號 1988年柯俊（前排左三）在清華大學參加基金重點項目“貝氏體相變機理”研討會 師昌緒（前排左四）、李恒德（前排右三）院士等同時參加 四、發展馬氏體相變動力學 20世紀50年代，柯俊首次觀察到鋼中馬氏體形成時基體的形變及其對馬氏體長大的阻礙作用，提出了“奧氏體中不均勻性和原子簇的形成和存在，將會影響馬氏體的生核和長大”的假說。隨后，柯俊與陳夢謫合作研究了“高速鋼奧氏體化淬火過程緩冷時的穩定化和高溫加熱促化之間的相互關系”，研究結果證明了他所提出假說的正確性。1959年這一論述在蘇聯《金屬學及金屬物理》雜志發表，并且得到著名物理學家薩道夫斯基的認可和高度評價。 80年代，柯俊在這一假說的基礎上，指導吳杏芳、陳奇志等進一步研究了“含微量釩碳的鐵鎳合金中蝶狀馬氏體的相變”，證明在適當條件下形成的具有特殊形狀和一定分布規律的蝶狀的馬氏體是原子簇及其自促發效應的結果。他指導柳得櫓及研究生，利用薄膜觀察證明消除約束后相變的不同形態。這一系列的研究成果極大地豐富了馬氏體相變理論，特別是給長期探索的馬氏體形核機制增添了新的論點和證據。 1985年柯俊與M. Cohen（麻省理工學院相變專家） 五、探索微量元素在鋼中的作用機理 1976年起，柯俊與褚幼義、賀信萊、余宗森等人開始進一步開展硼鋼的研制，系統研究微量硼在鋼中作用的機理，用徑跡顯微照相技術進行“硼在晶界非平衡偏聚的研究”。1989年“硼在鋼中的作用及硼在晶界偏聚行為的研究”項目獲國家教委科技進步二等獎。 1983~1986年，柯俊、陳夢謫等人根據四川攀枝花礦產資源的特點，負責“六五”、“七五”鋼中釩、鈦研究攻關項目的課題。主要研究了微量的釩、鈦對重軌鋼、硅鋼組織及性能的影響，闡明了微量鈦在鋼中的分布，氧化鈦形成機制以及在鋼中的作用等。同時，柯俊等人還完成了對納米級析出相的萃取及鑒定方法。1992年“釩、鈦、鈮等微合金元素的低合金鋼中應用基礎的研究”獲冶金部科學技術進步一等獎。 1980年在杭州“材料科學與工程課題規劃會議”合影 （左起：賀信萊、柯俊、褚幼義） 北京京豐賓館第一屆中國材料研討會 柯俊（中）與李依依（左）、顏鳴皋（右）院士合影 六、開創超級鋼研究 1996年5月，柯俊親自寫了一篇《駁鋼鐵工業是夕陽工業》的報告，送給冶金部部長。1996年10月由冶金工業部申報“國家攀登計劃B類項目建議書”，課題名稱：“新一代微合金高強高韌鋼的基礎研究”。建議人為：師昌緒、邵象華、柯俊、肖紀美、劉嘉禾、王崇愚和殷瑞鈺。北京科技大學由柯俊和孫祖慶負責“相變和缺陷結構控制為重點的物理金屬學基礎研究”。 2000年10月至2003年9月，柯俊指導北京科技大學的973項目組抽出人員成立了一個專題組：新一代鋼的薄板坯連鑄連軋工藝基礎研究及材料性能特征研究。主要成員有：柯俊、柳得櫓、傅杰、康永林等以及研究生若干人，與廣州珠江鋼廠進行合作研究，實行了老中青結合、跨專業結合以及產學研結合的研究路線。 2003年，“鋼的組織性能綜合控制理論及應用—薄板坯連鑄連軋工藝基礎及材料性能特征研究”獲中國高等學校十大科技進展獎。2004年2月10日，柯俊作為第4 完成人，項目獲教育部一等獎。 1999年柯俊與參加鋼鐵年會的張壽榮（左一）、殷瑞鈺（右二）等代表合影 2000年柯俊參加先進鋼鐵材料技術國家工程研究中心組建大會 暨中聯先進鋼鐵材料技術有限責任公司成立大會時與徐匡迪交談 2003年薄板坯連鑄連軋工藝基礎及材料性能特征研究項目鑒定會 前排左起：王天民（北航）、黃孝瑛、李依依、殷瑞鈺、張壽榮、柯俊 后排左起：于浩、周德光、李烈軍、康永林、傅杰、柳得櫓、王元立、霍向東 七、培養電子顯微鏡人才 1958年，我國歷史上第一批國產透射電鏡——南京江南光學儀器廠研制的DX－3型電鏡問世，北京鋼鐵學院購置了一臺。與原有的真空噴鍍儀一起，成為金屬物理研究教研組電鏡室的基本設備，為金屬物理專業取得豐厚的科研成果做出了很大貢獻。 1964年，北京鋼鐵學院得到當時冶金部科技司的大力支持，購置了一臺透射電鏡（捷克產的Tesla413型）與一臺掃描電鏡（英國劍橋產的S—250型），兩臺電鏡分別于1968年和1972年從國外運抵北京并順利安裝運行，為廣大師生的科研教學創造了條件。 1980年，為了更廣泛地開展學術交流，促進我國電子顯微學及其應用水平的提高，在錢臨照、郭可信等人的倡議下，中國電子顯微鏡學會成立，柯俊擔任副理事長。他和郭可信一起主持過多次國內國際電子顯微學學術會議。1980年中國電鏡學會在四川成都召開成立大會，柯俊、郭可信與時任日本電鏡學會第27屆會長的橋本初次郎商討了中日雙邊電鏡研討會的交流方式。次年他們和日本電鏡學會第28屆會長小川和郎等人共同舉辦了“第一屆中日電子顯微學討論會”。 1984年，柯俊在日本金屬學會會長、東京大學名譽教授橋口隆吉、田岡忠美的建議下，組織了中日金屬物理及物理冶金研討會，為我國中青年學者提供了更多參與國際學術交流、學習和了解國外學術發展動態的機會，同時也促進了中日兩國電子顯微學和材料科學工作者的合作。 1985年，柯俊、郭可信接受了時任國際電子顯微鏡學聯合會主席橋本初次郎的建議，成立了電子顯微鏡培訓中心。培訓中心的負責人、授課老師和實驗室輔導教師全部由北京鋼鐵學院金屬物理電鏡組的老師和實驗室工作人員擔任。 1986年，在郭可信的積極倡議下， JEOL公司以橋本教授的名義贈送了一臺全新的JEM100CX-Ⅱ透射電鏡以供我國培訓電鏡人才，這臺嶄新的透射電鏡安裝在北京鋼鐵學院并投入運行。橋本初次郎教授于1987年起連續10年在北京鋼鐵學院舉辦“橋本講座”系列報告會，向我國電鏡工作者和研究生傳授電子顯微學知識、經驗和最新進展。 鑒于柯俊的重要貢獻，1989年日本金屬學會授予他榮譽會員，中國電子顯微鏡學會授予他榮譽會員的特殊榮譽，1990年中國電子顯微鏡學會授予他第二屆“橋本初次郎獎”。1998年9月在大連召開的第十次全國電子顯微學會議上，郭可信分別向柯俊、朱靜頒發了“錢臨照獎”。 1981年接待美國加利福尼亞大學國際著名電鏡專家G.Thomas教授來訪 （右起：柯俊、章守華、Thomas、肖紀美、柳得櫓） 1986年JEOL(日本電子)贈送JEOL-100CX—II電鏡，橋本教授、柯俊及師生合影 （前排左起：肖紀美、橋本、柯俊；后排左起：孫永謙、周政謙、呂偉、趙重力、陳夢謫） 1992年亞太地區電子顯微鏡年會柯俊主持， 右為英國牛津大學材料系主任Pitter Hirsch教授 1998年9月柯俊與中國電鏡學會的部分常務理事合影 （左起：湯雪明、柯俊、姚駿恩、褚一鳴、李方華、陳德惠、郭可信、朱靜） 半個多世紀過去了，金屬物理始終走在改革和解放思想的前沿。今天，金屬物理已發展成材料物理與化學專業，開辟了交叉學科發展的新方向，適應了材料科學的發展趨勢，為材料學的發展注入了一股新的活力。桃李不言，下自成蹊。柯俊對此所花費的精力和心血，所奉獻的激情和歲月，無怨無悔。 作者簡介： 李秀輝：北京科技大學科技史與文化遺產研究院副教授，研究方向：冶金與材料史、文化遺產保護。 程瑜：北京科技大學科技史與文化遺產研究院工程師。
