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神秘钢种直击新型主战坦克动力心脏 ——材料科学与工程学院任学平团队研制并独家提供新型钢种
2019年10月1日，中华人民共和国成立整整70周年。在这个举国同庆的日子里，我国举行了庆祝新中国成立70周年大阅兵活动。在阅兵场上亮相的拥有“陆战之王”美称的99A式坦克，凭借着其威猛的外形和恢弘的气势，牢牢地抓住了众人的目光。而在它的高大外表下，是生机勃勃的“动力心脏”，“心脏”核心部件的源头，要追溯到北京科技大学材料科学与工程学院。
玉经磨多终成器，同舟共济万里航
新型主战坦克是我国自行研发的新一代主战坦克，具备优异的火力、机动、防护和信息化水平。在提高国防实力的大背景下，新型主战坦克规划应运而生。坦克动力系统的改进与创新是较为困难的部分，严苛的工作环境，其材料必须同时具备高强韧、耐磨、耐疲劳、耐高温等优良性能，发达国家对我国此类材料限制进口。
如何研究出符合条件的核心部件呢？我校材料科学与工程学院任学平教授的研发团队挺身而出，勇挑大梁，主动地承担起了这一艰巨的任务。任学平及其团队开发新材料的过程中毫无国内外现成的经验可借鉴，在研制过程中遇到了诸多困难。
简单来讲，该部件的研制不单单是材料的简单设计，更需要的是材料加工的创新性研发。在我国各类材料标准中，没有能够同时具有高频、高压、耐磨、耐疲劳、耐高温等特点的钢种。任学平团队所开发出的新型钢，不仅为我国高新武器装备中的高强韧、耐磨、耐疲劳关重件的制作奠定了基础，也为我国钢铁材料增加了新的钢种。目前任学平团队正在探索扩大该新型钢种的应用领域。
尽管科研道路充满艰难险阻，任学平团队依然顺利地完成了任务。回首研发过程，任学平教授说：“这次工作的顺利开展，是集体智慧的结晶。在研制过程，团队为了确保在规定的期限内完成任务，还寻求了许多已经退休多年的老专家的帮助。各位老先生们拿出毕生所学，在每个环节、每个步骤都做精做细，精益求精，为材料的成功研制贡献了自己的一份力量，感谢每个人的辛勤付出。任务的圆满完成是大家辛苦汗水的凝聚、是团队协作的结果，是‘工匠精神’的体现。”
半亩方塘长流水，诲人不倦育新苗
新型钢的成功开发，让任学平教授对武器装备新材料的现状及发展趋势有了更深层次的了解，也进一步激发出他为祖国国防事业做贡献的决心。任学平教授认为，军工发展为经济蓬勃发展提供了坚实保障，我们需最先进的军工武器才能保障国家安全、稳定经济发展、提高国民幸福。知行合一，在此之后，任学平团队先后承担并完成了多项军工项目。其中通过开发出异形件加工技术，成功地制造出高质量的保障系统关重件，为充分发挥武器装备的可靠性和机动性提供了有利的支持，得到了用户的认可和高度评价。目前这种产品已经大量装备在履带式保障装备和轮式保障装备上。在国庆70周年阅兵中这些保障装备出现在武器装备方队中，接受检阅。
任学平教授非常注重高素质国防人才的培养，激励学生为我国国防事业多做贡献。目前任学平教授有7名博士、7名硕士在毕业后，奔赴航天、钢铁、中软、华为等国防工业各领域，任学平教授的价值观影响了他们整个学生时代。他们在国防领域的重要工作岗位上勤奋地工作，为国防工业做出了突出的贡献，成为了各行业的学术带头人和骨干力量。
谈到科研工作中最重要的品质时，任学平教授有着自己的见解。他说，“科研工作者应该静心、吃苦、下足功夫。科研工作是寂寞的，唯有耐得住寂寞，甘坐冷板凳的人，才能取得一定的成就。做科研，也要有一颗不断学习的心，学习是必须的，终身学习，弥补自己在知识方面的不足。还有一点是珍惜时光，要脚踏实地，不要浮躁。”最后，任学平教授以一个过来人的身份，对广大青年学子谆谆教导：“在本科阶段，最重要的是打好基础，踏踏实实地做好自己的功课，这就好比搭建房子首先要把地基建牢固，地基不稳定，其他什么也不必再奢求。初步了解一下材料的入门知识就好，不必着急。在硕士阶段，要做好科研训练，多多学习科学研究的方法。‘纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行’。而对于博士而言，最为重要的事情，是注重创新。‘创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。’”任学平教授希望广大青年学子，能够抱着一份崇高的信念，突破自己、充实自己、发展自己，积极投身于国防建设和社会建设当中，成为一个独立优秀的人，一个对国家和社会有用的人。
任学平教授是我校材料加工学科本科生《塑性加工力学》课程的主讲教授，通过教学工作，深深感触到理论上突破的重要意义，对材料加工理论研究工作产生了浓厚的兴趣和爱好，从而养成了不断学习新知识的一个习惯，在材料加工理论研究中取得了许多重要的研究成果。
近20年来，任学平教授是我校材料加工学科本科生《塑性加工力学》课程的主讲教授，通过教学工作，深深感触到理论上突破的重要意义，对材料加工理论研究工作产生了浓厚的兴趣和爱好，从而养成了不断学习新知识的一个习惯，在材料加工理论研究中取得了许多重要的研究成果。我国已故著名塑性力学专家，哈尔滨工业大学王仲仁教授的评价是“数学、力学基础好，有很强的逻辑推理能力。能够在较深层次上分析问题。”
01材料加工理论方面的研究成果
1.超塑性本构方程
任学平教授根据自己多年从事双相不锈钢超塑性研究的经验，结合单一晶界滑移机理，从理论上推导出了超塑性变形时的应力-应变关系理论模型，所得到的理论值与大多数超塑性材料的实验数据吻合较好。新理论在描述超塑性材料变形行为明显优于传统的经验公式，为超塑性成形技术的发展与工艺优化提供了理论基础，也为建立超塑性材料新的评价体系提供了新的思路。
2.材料屈服强度与晶粒尺寸理论
根据多晶体材料的晶内滑移和晶界滑移理论，推导出了多晶体材料的屈服强度与晶粒尺寸理论模型，理论值与实验值吻合较好。得到了晶粒尺寸d与晶界层厚度t满足d=3t时，多晶体的屈服强度达到最大值；多晶体材料的最大屈服强度是同种非晶态材料屈服强度的倍等许多之前未知的新结论，为材料组织性能的优化与控制提供了理论依据，具有重要学术意义和实际应用价值。
3.材料强度理论
任学平教授对材料强度模型具有浓厚的兴趣，先后建立了材料流动应力模型、变形功和冷却速度与晶粒尺寸模型等，计算了了四十余种纯金属的理论值，与大多数材料的实验值吻合较好。研究工作对于材料组织控制新工艺、新技术开发具有重要的指导意义。受到了我国已故著名科学家葛庭燧院士的认可和鼓励：“从理论上给出了材料的物理性能与机械性能参数之间的关系，并由此得到流动应力的解析式，理论值与实测值吻合较好。”
4.可压缩材料的滑移线理论
国外学者在推导可压缩滑移线应力方程时，由于无法求解可压缩塑性平衡方程，只能得到与土力学相似的滑移线场理论，在应用上受到一定的限制。任学平教授利用所具有雄厚的数学基础和较高的逻辑思维能力，成功地求解出了可压缩材料的塑性平衡方程，建立了可压缩材料的滑移线场理论，研究成果对于丰富和完善塑性加工理论具有重要的意义。
5.液态模锻协调方程
采用实验方法测量液态模锻时金属的凝固速度是非常困难的，甚至是不可能的。为了解决该问题，任学平教授通过理论推导，建立了液态模锻协调方程。该理论将液态模锻过程中的塑性变形与凝固行为联系起来，由此提出了液态模锻时金属凝固速度测试新方法。在此基础上，提出了液态模锻件的致密机制。研究工作对于液态模锻工艺优化及过程控制具有重要的指导价值。在全国液态模锻学术大会期间，某企业的一名技术人员对任学平教授说“过去我厂在进行液态模锻生产时，经常发生内部质量问题，后来根据您论文的理论，进行了工艺参数优化，解决了这个问题。”
02双相不锈钢超塑性及扩散连接
双相不锈钢是指其固溶组织中含有奥氏体和铁素体两相的钢种，两相比例约各占一半，通常含量较少的相含量也要达到30%。超塑性是材料在特定条件下产生异常塑性的现象。近年来，随着海洋开发机械、船舶、舰艇等领域对耐氯化物应力腐蚀性能材料的特殊要求，双相不锈钢材料得到了广泛的重视。从而推动了双相不锈钢超塑性及其扩散连接技术的发展。任学平团队在该领域做了大量的研究工作（下图），包括双相不锈钢中析出相的析出规律、析出热力学和动力学、固溶温度与冷轧变形量关系、双相不锈钢超塑性及扩散连接、超塑性变形与扩散连接机理等，并取得了许多重要的研究成果，仅在该领域培养毕业博士生4人，硕士研究生9人，在国外期刊发表学术论文10篇，获国家授权发明专利3项。
双相不锈钢超塑性扩散连接的发展方向是降低连接压力和冷轧变形量，为此任学平团队对此进行了理论分析和大量的试验研究工作，创新性地开发出了热循环辅助双相不锈钢超塑性扩散连接技术（系任学平团队首创的，之前国内外没有），采用该技术可以有效地降低连接压力和冷轧变形量（下表），为双相不锈钢超塑性扩散连接技术的应用提供了新的途径。
03材料加工新工艺开发
1.固体颗粒介质成形新工艺开发
固体颗粒介质成形新工艺，是任学平教授团队独创的材料加工新工艺。对于传统的凸模或弹性体以及液压成形，坯料各部位成形所需要的压力是无法控制的。固体颗粒介质成形新工艺可以通过控制固体颗粒的数量、大小以及分布，控制各部位成形所需要的压力，因此，对于复杂零件的成形，其加工工艺参数以及成形过程可以得到有效的控制。图3是采用新工艺制成的产品。目前采用固体颗粒介质成形新工艺成形的某产品在我国重点工程中得到了较好的应用。
2.连续变断面挤压技术的开发
传统的变断面挤压型材的生产均需在挤压过程中停机，以便更换模具和调整机构，并且无法挤压断面由大到小、再由小到大重复变化的连续变断面型材或异形零件。为此，任学平团队提出了一种将挤压工艺与电、液、计算机技术融为一体的连续变断面挤压方法（如图1所示）。采用该方法可以成形断面由小变大、由大变小重复变化的全纤维连续变断面挤压件，并且在挤压过程中无需停机换模。这种新方法为变断面产品的成形开辟了新的途径，并有可能为现有锻件乃至其它金属成形制品的成形提供一种新的思路及方法。在任学平教授的大力宣传下，目前国内有两家研究所正在对连续变断面挤压技术进行研究。
04新产品开发
1.异形件开发
该异形件是我国重点工程专用产品，该产品的设计尺寸较长，除了要满足固有的材料性能外，对平直度等也有特殊的要求。该产品的研发的难度非常大，任学平团队针对该产品进行了大量的基础性研究工作，在此基础上成功地开发出了该异形件的加工技术，制定了详细的研究方案，对可能出现的问题提出了相应的措施。展开了长达数月的技术攻坚战，终于成功突破了异形件研制的关键技术，加工出了满足使用要求的产品，并实现了小批量生产，截止目前，已经向用户提供了60余吨产品。为充分发挥国家保障装备系统的可靠性和机动性提供了有利的支持，得到了用户的认可和高度评价。
2.金属梯度结构轴的开发
任学平团队提出了高强韧金属梯度结构轴的概念。其基本思路是：用可以有效传递扭矩、柔韧性好的碳钢作芯材，用高强度、高耐磨性的合金钢作为表面材料，通过复合加工技术，将多层金属进行有效地复合，形成化学成分、强度和韧性等性能沿轴表面到心部按一定梯度分布的结构形式，制成强度、韧性和耐磨性优良的金属梯度结构材料。图5给出了金属梯度复合轴位移-载荷曲线。从图5中可以看出，复合轴结构所具有特殊的内外层轴状结构，可以充分延缓并止住疲劳裂纹的扩展，起到了很好的韧性化效果，防止造成灾难性后果，提高构件的安全服役和可靠性。
贵金属纪念币厚度薄，浮雕复杂且起伏较大，成形所需要模具的加工不仅难度大，而且非常耗费工时，且合格率较低。任学平团队提出了采用超塑性成形技术制造贵金属纪念币用模具的方法，并且在深圳国宝造币有限公司生产现场，成功地成形出了高浮雕模具，在此基础上，生产出了符合质量标准的贵金属纪念币。压印熊猫项目金币耐印量达到11700枚和10500枚。
