转投麻省理工_关于彭司勋的故事

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麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）是美国一所综合性私立大学。位于马萨诸塞州的波士顿市，查尔斯河（Charles River）将其与波士顿的后湾区（Back Bay）隔开。麻省理工学院无论是在美国还是在全世界范围内都有非常重要的影响力，培养了众多对世界产生重大影响的卓越人士。其自然及工程科学在世界上享有极佳的声誉，由于在学术方面的卓越成就，虽然麻省理工学院不是常春藤联盟学校的成员，但是也经常被纳入“常春藤附加”（Ivy Plus）。

图 4-5麻省理工学院远眺

张兴钤之所以选择到麻省理工学院就读，又能够被录取，用他自己的话说，既很偶然，又很顺利。

在我们那个时代，麻省理工学院是非常有名的，这个行当（专业）也非常突出，所以就选那去，还是很顺利的。因为原来我在美国的另外一个学校（凯斯理工学院），也还是小有名气的。这些（事情）都是有些关系的，这个说说也很有意思，我为什么选择到那个学校去呢？偶然的，原来我的一位老师过去是从麻省理工学院出来的，正好也在美国，我向那个老师打听麻省理工学院的情况，他说挺好的。碰巧，我在武汉大学读书时的一位同学正好也在那，他就去见那个教授去，那个教授说可以啊，所以很简单，我并不是说写了很多信，那时候并没有计划，（就是想）去念一段书吧。张兴钤访谈，2012年11月30日，北京。资料现存于馆藏基地。(www.guayunfan.com)张兴钤选择麻省理工学院的起因是美国同学的邀约，后来通过对该学院的了解，他发现麻省理工学院在全世界范围内都有非常重要的影响力，在自然及工程科学特别是在冶金及金属研究领域享有极高盛誉，于是他坚定了进入这所大学学习和研究的决心。他知道有一位武汉大学时期的同学正好在麻省理工学院读书，就联系上了这位同学。同学了解张兴钤的经历及所学专业后，向学院冶金系的一位教授推荐了张兴钤，他就是对张兴钤的学术成长经历起到至关重要作用的尼古拉斯·约翰·格兰特（NicholasJohn Grant）尼古拉斯·约翰·格兰特博士（Dr. Nicholas John Grant），先后在麻省理工学院的冶金系担任助教、副教授、教授，是炼钢物理化学和高温冶金领域的著名权威学者。格兰特博士1915年10月21日出生于新泽西州的South River，是一位俄裔美国人。他毕业于卡内基技术学院并于1938年获得冶金工程理学学士学位。在伯利恒钢铁公司作为平炉冶金学家工作3年之后，他获得了麻省理工学院的奖学金并在那里攻读博士学位。他的研究工作被第二次世界大战打乱后，开始负责用于制造燃气轮机、喷气发动机、涡轮增压器的金属材料的制备、试验和处理的研究项目。1944年他获得了麻省理工学院的理学博士学位并成为冶金工程的教授助理。1948年升职为副教授，1956年成为冶金学教授。教授。

图 4-6麻省理工学院

二次世界大战为金属、陶瓷和其他材料方面的科学与技术带来了本质的变化，国家紧急状态下使用的钢材、新的制镁工艺和新型的铝合金产品拓展了应用冶金的广度和深度。在战争中应急而生的舰船用钢材料研究也亟需继续拓展。喷气式发动机、燃气涡轮和其他先进科技要依靠的高温合金研究被提高到空前重要的地位。被认为最重要的新型材料，特别是高分子材料的研究也摆上了科研计划。

也是在这一时期，麻省理工学院的冶金系在教学和实验课程上都根据时代需要而发生了改变。新增的学生和新扩展的专业内容使得学校需要增加教职员工的数量。1946年，冶金系在工程金属、金属加工、铸造冶金、粉末冶金和变形加工等领域增设了新的教学内容，使得学校大量增聘了初级教学人员和国内知名教授，格兰特教授就是其中之一。

格兰特教授进行的研究项目此时正需要大量的研究人员参与，他看了张兴钤的简历和他在凯斯理工学院学习期间的成绩，就同意了他的申请，并请他进入自己的研究室参与相关课题的研究。张兴钤能够从众多申请者中脱颖而出，除了他在凯斯理工取得非常优秀的成绩以外，很重要的原因就是格兰特教授从张兴钤硕士论文的研究题目和研究方式上，感觉到他是一个非常细致、非常沉静的人，很符合自己对研究人员的要求。就这样，张兴钤很顺利地进入麻省理工学院，师从格兰特教授攻读博士学位。

麻省理工对于科学研究的认识又与凯斯理工有所不同，其校训是：理论与实践并重。这既是对于科学研究这个概念的基本观点，又是开展科学研究的方法论。对于科学研究的目的和意义提出了一种独特的观点并以这一观点统领和指导着学校的各项工作。

对于这一校训，张兴钤有着自己的理解：不断寻求、揭示自然界中的规律，是人类求知的本能，但满足这一本能不是唯一的，更不是最终的目的，而是要在对规律探求的过程中，以获得的成果指导应用于实践，造福于人类，才能算是一个完美的结局。科学研究的目的，不是为研究而研究，而是要将研究的成果应用于认识世界和改造世界的实践，并在实践中进一步认识和丰富科学研究的规律，并不断提高和上升理论层次。

也正是这一理念，影响了张兴钤的一生，在他所做的每一项科学研究中，研究的背景都具有很强的应用性，并对所有项目的应用水平的提高和完善，发挥了积极的推动作用。

麻省理工学院要求博士研究生都要在主要研究方向以外，再选择一个副研究领域，张兴钤选择的副研究领域是化学。因此他除了要完成本系的必修和选修课以外，还选修了高等热力学、分子动力学等副领域的课程。从1949年2月起，张兴钤一边选课、修课，一边在格兰特教授的指导下开展研究工作。由于格兰特教授在美国国家的多个技术委员会任职，承担着一些国家资助的课题，需要有人做研究工作，就让张兴钤自己选择一个课题方向。张兴钤承担研究课题，能领得一些经费，再加上他获得的奖学金，没有生活上的后顾之忧，从而全身心地投入攻读博士学业和科学研究之中。

20世纪40年代末50年代初，喷气式飞机的发展正处于热潮之中，喷气飞机效率的提高有赖于燃气进入发动机温度的提高，进气的温度越高，转换的效率就越大。因而必须发展能耐更高温度的合金。高温合金和其他合金一样，其内部显微组织是由晶粒和晶粒间界组成的，还有强化相。当时人们已知道，晶粒间界对高温合金的强度影响很大，已引入等强温度的概念，即某一种合金在一定的蠕变速率下在某一温度晶粒和晶粒间界是等强度的，高于此温度晶粒强度高，而低于此温度晶粒间界强度高。这个概念指出晶粒间界是高温合金的薄弱环节，但当时对其机理是不清楚的。显然，深入了解其机理对发展和设计新合金是具有开创意义的。格兰特教授的实验室就承担着美国国家资助的与此相关的项目研究。因此张兴钤向格兰特教授提出要在高温金属合金的形变和断裂方向上做一些研究，并把研究课题与博士论文结合起来，既做研究，又做课题。格兰特教授欣然同意，在其具体指导下张兴钤的博士论文选题确定为金属蠕变机制研究。

张兴钤选择了纯铝及其合金作为研究对象，这是因为：一是当时的提纯工艺可以把纯铝及其合金的纯度提得很高，纯铝的纯度可以达到99.99%，便于研究纯铝及合金元素的影响而少有杂质的干扰。二是纯铝及其合金在表面会形成很薄的透明氧化膜，便于在蠕变过程中用显微镜观察其形貌的演变。三是高温合金的力学性能和T/TmT为试验温度，Tm为合金熔点，单位为K。比值有密切的关系。铝合金的熔点虽然低，但是由铝合金得到的实验结果，参照T/Tm比值可适当推断高熔点的高温合金的力学行为，比如镍基高温合金。而且铝本身也是一类高温合金，适宜做要求比重低，使用温度较低的机械部件。在格兰特教授的指导下，张兴钤开始系统地对多晶纯铝及其二元单向合金在蠕变条件下形变和断裂方面的研究工作。他通过一系列开创性的工作，最终建立了金属蠕变在位观察和测量的技术。

金属蠕变是指在一定温度下，金属受持续应力的作用而产生缓慢的塑性变形的现象，引起蠕变的这一应力称蠕变应力。在这种持续应力作用下，蠕变变形逐渐增加，最终可以导致断裂，这种断裂称为蠕变断裂。导致断裂的这一初始应力被称为蜕变断裂应力。在有些情况下(特别是在工程上)，当人们把蠕变应力及蠕变断裂应力作为材料在特定条件下的一种强度指标来讨论时，往往又把它们称为蠕变强度及蠕变断裂强度，后者又称为持久强度。早期，人们对金属材料强度的认识不足，设计金属构件时仅以短时强度作为设计依据。不少构件，即使使用应力低于弹性极限，使用一段时间后仍然会发生因塑性变形而失效或因破断而失效的现象。随着科学技术的发展，金属材料的使用温度逐步提高，这种矛盾也越来越突出。这就使人们进一步认识到材料强度与使用期限之间尚有密切的联系，从而相继开拓了蠕变、蠕变断裂、松弛、疲劳、断裂力学等长时强度研究领域。蠕变则是其中研究最早、内容较丰富而成果较显著的一个领域，成为其他几个研究领域的基础。

1905年英国人菲利普斯（F. Philips）首先观察到金属丝蠕变现象。1910年英国人安德雷德（E.N.da C.Andrade）用实验证实几种纯金属具有相同的蠕变特点。1922年英国人迪肯森 (Dickenson)发表了钢的蠕变试验结果后，蠕变试验研究从此受到重视。人们认识到高温下承载的金属构件均会发生蠕变，尽管所承受的应力要比在这种温度下构件材料的屈服强度低得多，对于一般金属，蠕变现象只有在高温条件下才会明显表现出来。但是，某些金属，如铅、锡及它们的合金，在常温条件下，也能表现出蠕变现象。产生蠕变所需的应力，甚至可以小于材料的弹性极限。由于金属蠕变的累积，使金属部件发生过量的塑性变形而不能使用，或者蠕变进入到了加速发展阶段，发生蠕变破裂，均会使部件失效损坏，甚至发生严重事故，所以，人们逐渐认识到，对于长期运行的高温部件，必须要进行严格的蠕变监测。

20世纪20年代以后，高温高压技术迅速发展，蠕变试验已成为高温金属材料必须进行的主要性能试验之一。在蠕变试验中，形变与时间的关系可以用蠕变曲线来表示。最初研究的是铅、锌等低熔点纯金属，因为这些熔点较低的金属在室温下就已表现出明显的蠕变现象，金属所处的温度越高，这种现象越明显。通过对蠕变现象的监测，人们发现蠕变现象的产生由三个方面的因素构成：温度、应力和时间。温度和应力的作用方式可以是恒定的，也可以是变动的。常规的蠕变试验则是专门研究在恒定载荷及恒定温度下的蠕变规律。为了与变动情况相区别，这种试验被称为静态蠕变试验。

格兰特教授领导的研究小组在过去几年时间里，进行了大量的发展铸造高温合金的研究工作，并测量了大量高温合金蠕变性能数据。这些数据一类是在一定温度和应力下的最小蠕变速率，另一类是在一定温度和应力下的断裂时间。通过研究，他们知道合金的高温性能和合金内部组织及其变化有密切的关系，尤其是晶粒间界的行为，但对其机制还不清楚。

图 4-7张兴钤陪同导师格兰特教授游览长城（1992年）

张兴钤利用课题经费，在格兰特教授介绍的一家显微镜制造厂，参与设计制作了一架耐高温长焦距显微镜，建立了一种新的蠕变研究机制。他开发了用高温显微镜在位观察形变和断裂特征并同时测量微区形变量随蠕变时间变化的实验方法。这项研究工作揭示出几种与合金强度、塑性、裂纹产生和断裂有关联的机制张兴钤.我的自述［C］.张兴钤院士八十华诞文集，2001.。此外，为了便于区分晶粒和晶粒间界的行为，试验所用的试样都是经过特别处理的大晶粒样品，晶粒平均直径在5毫米左右，试验前张兴钤又把试样进行了电解抛光处理。

用这台新的显微镜和为实验特制的具有观察窗的炉子，张兴钤一连很长时间泡在实验室里不间断地观察高温下材料发生的变化，有时在实验室一待就是好几天。在实验室里，他使用最多的非实验装置就是一个闹钟和一个烟斗，烟斗是为了提神，闹钟是为了定时观察。观察得到的数据被详细地记录下来，拍下来的照片、记录用的稿纸和研究用的笔记本就有厚厚的一大摞。一段时间以后，他开始对连续不断地观察和测量后得到的准确数据进行分析，深入探求高温下材料变化的机理。

以实验为基础，张兴钤系统研究了蠕变过程中多晶纯铝及其二元单相合金的断裂机制，尤其是晶粒间界的行为，率先提出了晶界裂纹形成和传播的模型，得出了晶界滑移和裂纹并不总是引起脆断的结论，这些都是以前的科学研究并未注意到的现象，对探索细晶材料的力学性能十分重要。他的研究揭示了几种机制下对于合金塑性、断裂和强度的关系，在理论上进行了恰当的解释，并据此完成了8篇论文的撰写。其中晶界移动和滑移相互竞争的机制，不但对发展高温合金有指导作用，对了解以后发展的超塑性和纳米材料的力学行为都有重要意义。后来，张兴钤又有2篇论文获准同意公开发表，遗憾的是他那时已经回到祖国，并没有看到发表这2篇论文的刊物。

图 4-81952年张兴钤发表在Trans.AIME上的论文Observations of Creep of the Grain Boundary In High Purity Aluminum（“高纯铝晶界蠕变观察”）

总的来说，张兴钤通过对纯铝及其合金的蠕变机制进行研究，探明了晶界滑动和晶粒形变的协调形式，明确了这几种协调形式的配合、发展与组成共有晶界的两晶粒的位向差以及晶界本身的几何位向密切相关，找到了晶粒形变的特点并给出科学解释。通过对晶界裂纹的形成和传播进行研究和分析，找到晶界断裂的机制。在金属蠕变对合金化及晶粒细化可能产生的影响等方面给出了合理的解释。这批论文的公开发表，奠定了从原子尺度到宏观尺度了解多晶材料力学作为研究的基础，为建立半定量或定量的关系式另辟蹊径。

图 4-9张兴钤在麻省理工学院学习、工作笔记

张兴钤的这一系列工作，是全球金属蠕变理论公认的基础性工作，受到同行充分重视，其成果更是被广泛引用。1992年出版的《物理冶金》（Physical Metallargy）是一部这一领域的权威著作，在该书中，阿尔贡（Argon）阿尔贡（Argon），理学博士、机械工程博士。1960年任麻省理工学院机械工程系教授，研究范围广泛，包括金属、陶瓷、玻璃、聚合物及化合物，发表了360多篇期刊文章，出版了2本关于工程固体力学特性方面的书籍。在第22章还特别提到张兴钤在1953年发表的论文中涉及的微区蠕变呈现阶梯状的实验结果。而张兴钤在显微镜前工作的大幅照片，也被悬挂在麻省理工学院主厅走廊的墙壁上，直到1985年宋家树院士陪同他一起回到麻省理工学院访问时，这张照片还挂在那里。

在很长的一段时间里，张兴钤白天跑图书馆查资料，或在办公室写总结，构思论文，晚上就在实验室，那里没人打扰，十分清静。只有一支烟斗一直忠实地陪伴着他，思索、提神，每隔一段时间，测量一次材料在高温下的变形，(1952年)作上标记，把结果记录下来。在不同条件下，比较材料的变化，在短时间怎么样，长时间怎么样，这一温度下怎么样，那一温度下怎么样。到了一定的阶段，还要把材料剖开，在显微镜下观察张兴钤访谈，2012年12月1日，北京。资料现存于馆藏基地。。研究材料在不同时间、不同温度、不同应力条件下的变化规律。这样的实验，一个周期一般就需要七八天时间。那时，格兰特教授带了十几个学生，分别在他负责的实验室从事各种研究工作。格兰特教授非常欣赏张兴钤，对于他的勤奋和严谨赞赏有加。张兴钤也经常去教授的家里探讨研究进展、构思论文。格兰特教授的妻子苏珊很早就去世了，他独自带着3个孩子，14岁的安妮（Anne.P），13岁的威廉（Willam.D），还有10岁的尼古拉斯（Nicholas.P）。因为经常去教授的家中拜访，张兴钤与格兰特的3个孩子都建立了深厚的友谊，特别是10岁的尼古拉斯，张兴钤每次去他家，他都会爬到张兴钤的腿上有说有笑，嬉闹一阵。有时候张兴钤很长时间没有去格兰特家，尼古拉斯还会问父亲，为什么Chang（张）好几天都不来了呢？

图 4-10张兴钤在麻省理工学院研究生宿舍

张兴钤在麻省理工学院出色的研究工作，不仅使他获得了麻省理工学院的博士学位，为他赢得留校继续从事该领域研究的机会，更为他在业内赢得了很高的声誉。

博士阶段的学习和工作，已使他成长为具有独立承担科学研究的能力，能够熟练地把握研究对象的选择，从研究对象中抽象出研究课题，严格按照初步技术路线和实验方案设计、调研文献资料，论证和确定技术路线和实验方案（包括实验条件、实验设备），按技术路线和实验方案执行的程序开展研究工作，并拿出有独创性的研究成果的，能够把握金属力学领域研究规律的成熟的研究人员。

图 4-11张兴钤博士毕业照（1952年 6月）

1952年6月，张兴钤获得了麻省理工学院授予的博士学位。由于美国当局禁止中国留学生回大陆，张兴钤就只好留下来在格兰特教授的实验室里做DIC（division of industry corporation），就是由工业资助的雇员。1953年，麻省理工学院为张兴钤的学术研究成果，专门搞了一个图片展览。李恒德院士这样回忆道：“他对那些晶界运动细节的观察，所拍图片的精美和生动，令人叹为观止。有一次日本朋友石田洋一和我谈起，他说当年在麻省学习时，一看到张（兴钤）的这些图片就被深深吸引住了，对他影响很大。”李恒德.丹青难画是精神［C］.张兴钤院士八十华诞纪念文集，2001.石田洋一最后也是选择了高温金属合金作为自己的研究方向。

图 4-12林正仙（左）、张兴钤（中）、师昌绪（右）在麻省理工学院校园合影（1952年）

此时，曾在綦江电化冶炼厂共同工作过的挚友师昌绪正好在欧特丹大学（Notre Dame University）读完博士，也来到麻省理工学院做研究工作。他乡遇故知，分外亲热。刚开始两人都住在研究生宿舍，不久又找到了志同道合的王志忠和林正仙两位博士，就相约一起在查尔斯河（Charles River）对岸波士顿市区内的马尔伯勒街（Marborough）457号租了一套三室一厅的公寓，房东是一位慈祥和蔼的老太太。不久，王志忠就因为结婚搬走了。王志忠结婚的时候还请张兴钤做了他的男傧相（伴郎），这是美国的风俗，大多由新郎的好友担任，婚前很多的准备事项都由他来帮助处理。那时，张兴钤已经32岁了，对于他一直保持单身，就连导师格兰特也有些不解，也问过张兴钤原因，但张兴钤只是笑而不答。其实他一直抱定回国的信念，怕有家庭造成拖累。

王志忠搬走后，很长时间里457号只剩下张兴钤、师昌绪、林正仙三人，当然偶尔也会有李恒德等好友来此暂住。人们分别称他们大张、小林和老师，其实他们的年龄相差只有一岁。林正仙爱好听古典音乐，性格文雅少言，放唱片欣赏音乐的时候是不准别人说话的，这也使师、张两人间接地受到了古典音乐的熏陶，养成了爱听音乐的习惯。师昌绪在三人当中属于性格比较活泼的，而且是个很热心的人，三人合伙租房，必然也会涉及吃饭的问题，于是师昌绪就主动承担起这个任务，偶尔他们会自己开伙，买菜、做饭、记账就成了师昌绪的事情了。张兴钤爱好读书看报，也爱抽烟，平时就是烟不离手，晚上读书学习更是这样了，有时读书看报发现烟没有了，即使是在三更半夜，也要到楼下24小时营业的便利商店去买。

波士顿的冬天比较长，很冷，雪天多，雪也大。隔着一条查尔斯河，对岸就是麻省理工学院，因为张兴钤他们三人都在这所学校做研究，每天都顶着寒风，步行过桥去学校工作，有时三人结伴而行，有时则踽踽独行。他们三人同租住一套公寓的时候，张兴钤实验室里的工作还在继续，有时在实验室待很长时间不回来，烟斗则是一直不离身的忠实朋友。有时一天仅回来吃一顿饭，若刚好吃到师昌绪做的牛排，那简直是人间美味。他们在波士顿市区内的马尔伯勒街457号租住的房子也成为他们心目中具有重要意义的一个地点，这个公寓不仅承载了他们在麻省理工学院工作时的一段愉快的记忆，也成为后来波士顿区中国留学生争取回国活动的一个据点。