葛庭燧先生的科學(xué)貢獻(xiàn)及對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)的促進(jìn)作用

供稿|楊平/ Yang Ping

內(nèi)容導(dǎo)讀 葛庭燧先生是金屬物理學(xué)家，以其名字命名的葛氏扭擺及葛氏內(nèi)耗峰進(jìn)入了物理學(xué)詞典，并對(duì)揭示金屬學(xué)（現(xiàn)在的材料科學(xué)基礎(chǔ)）課程講述的晶體缺陷行為起了重要的作用。葛庭燧的科研活動(dòng)與我國抗日戰(zhàn)爭和第二次世界大戰(zhàn)直接相關(guān)，其科學(xué)人生與我國曲折的歷史相關(guān)聯(lián)，其信奉的“科學(xué)無國界、但科學(xué)家有祖國”的名言展示了其高尚的愛國情懷，也激勵(lì)青年學(xué)者報(bào)效祖國。其提出的晶界結(jié)構(gòu)模型及與國際材料大師合作的故事成為專業(yè)課程生動(dòng)且令人感嘆的案例。其獲得Mehl 獎(jiǎng)的故事不但激勵(lì)著學(xué)生及青年科技工作者，也為課程講授注入了感人的故事。本文從不同的角度討論了其豐富人生活動(dòng)給課程教學(xué)帶來的幫助和啟迪。

葛庭燧先生（1913—2000 年）的故事筆者從本科生階段就有所耳聞，但并沒有深刻的感觸，這應(yīng)該既與自己專業(yè)知識(shí)了解太少，也與自己的閱歷膚淺有關(guān)。到了教師階段，對(duì)他的了解陸續(xù)增加，感受也隨著自己的閱歷增長而加深，所受觸動(dòng)越來越大；后來閱讀了《葛庭燧傳》[1]，算是有了更全面的了解。因?yàn)閺囊患?，一篇?bào)道，一篇論文獲得的只能是若干點(diǎn)的信息，只有讀完其人生傳記，才可能有全面的了解。其實(shí)，較多地去閱讀他的書，最主要的原因是筆者講授金屬學(xué)（材料科學(xué)基礎(chǔ)，簡稱材科基）幾十年，所受觸動(dòng)非常大。另外，筆者對(duì)葛庭燧的關(guān)注是從一名專業(yè)課教師的角度出發(fā)，因此有與其他讀者不同之處。筆者總在思考一個(gè)問題，這位金屬物理學(xué)大師非凡的一生對(duì)我們課程教學(xué)的影響、幫助或者啟迪是什么？若非是基于材科基課程教學(xué)來分析，感覺實(shí)在是輪不到筆者來分析他的人生對(duì)我們社會(huì)產(chǎn)生的影響。

為了直觀看到他的影響所體現(xiàn)的各個(gè)方面，以圖1 給出的一個(gè)關(guān)系圖作為線索。這個(gè)圖的核心有兩點(diǎn)，一是葛庭燧本人，二是材科基課程；因此除了從葛庭燧的“位置”出發(fā)的6 個(gè)方面構(gòu)成本文的6 個(gè)討論點(diǎn)外，藍(lán)色虛線起點(diǎn)的“材科基”也構(gòu)成了其它5 個(gè)方面的聯(lián)系。這才顯示了筆者希望建立的葛庭燧先生與材科基課程的密切關(guān)系。紅線的建立也完全是為了虛線關(guān)系的表達(dá)，后者更是為了將葛庭燧的人生有機(jī)地融入到我們課程教學(xué)中，在學(xué)生心中留下深刻印象。不但為了提高教學(xué)效果，更為了培養(yǎng)具有堅(jiān)定強(qiáng)國意識(shí)、具有鋼鐵脊梁、鋼筋鐵骨的材料后備人才。

圖1 本文討論的線索示意圖

葛庭燧豐富多彩且曲折的人生

葛庭燧先生多彩的人生體現(xiàn)在四個(gè)方面：一是他在清華大學(xué)就讀期間參加過一二九運(yùn)動(dòng)，在燕京大學(xué)讀碩士生期間參加過冀中抗日戰(zhàn)爭，為八路軍提供科技圖書，無線電元件和火藥；他從美國加州大學(xué)博士畢業(yè)后還參加了美國二戰(zhàn)時(shí)期的曼哈頓（原子彈）計(jì)劃（鈾的提煉產(chǎn)物的光譜檢測）、輻射實(shí)驗(yàn)室（雷達(dá)技術(shù)）的研究。后兩項(xiàng)對(duì)二戰(zhàn)的勝利起到關(guān)鍵作用。二是其精彩的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，清華大學(xué)物理系本科，燕京大學(xué)碩士，美國加州理工大學(xué)伯克利分校博士的學(xué)業(yè)經(jīng)歷，都是最頂級(jí)的院校。三是他崇尚法國號(hào)稱微生物學(xué)之父的科學(xué)家巴斯德的名言“科學(xué)無國界，但科學(xué)家有祖國”的理念，并終生踐行這個(gè)理念。留美期間擔(dān)任美中留學(xué)生科協(xié)主席，動(dòng)員青年科學(xué)家回國報(bào)效祖國，典型例子就是為中共組織轉(zhuǎn)交邀請(qǐng)錢學(xué)森回國的事，其自己也附信一封動(dòng)員錢學(xué)森回國。他是新中國剛成立就回國的科學(xué)家，1955 年就是學(xué)部委員。在國內(nèi)一直提倡在中國的土地、靠自己培養(yǎng)的研究人員、做出世界一流的科研成果。他一直掛念著自己在國外（例如英國劍橋大學(xué)）的學(xué)生能回國效力。四是他是我國金屬物理研究的奠基人之一。早在1951 年就在清華大學(xué)開設(shè)物理系的金屬物理課程。我校柯俊先生是在1956 年建立我國第一個(gè)金屬物理專業(yè)[2]；馮端先生所在的南京大學(xué)是1953 年在物理系建立了金屬物理教研室[3]；周如松教授所在的武漢大學(xué)物理系在1954 年開啟物理系的金屬物理專門化[4]。葛庭燧先生在1952 年我國院系調(diào)整時(shí)（我校在這年由6 所高校的部分院系組建而成），他離開清華大學(xué)去沈陽（與李熏先生一起）創(chuàng)建沈陽金屬研究所；1980 年又去合肥創(chuàng)建中科院固體物理研究所。其人生的曲折表現(xiàn)在反右運(yùn)動(dòng)和文革時(shí)期的被隔離，被傷害；其熱愛的金屬物理研究不能正常工作或被迫停止近20 年。但他仍然愛黨愛祖國。70 年代后期他重新開始金屬物理方面的研究，特別是內(nèi)耗法研究做到了世界最前沿，終于在其生命終止的前一年（1999 年）獲得美國金屬、礦物、材料學(xué)會(huì)（TMS）頒發(fā)的Mehl 獎(jiǎng)，這個(gè)獎(jiǎng)很大程度上也基于他在國內(nèi)進(jìn)行的前沿基礎(chǔ)研究，而不僅僅是因?yàn)樗?0 世紀(jì)40 年代末在美國芝加哥大學(xué)C.Smith 領(lǐng)導(dǎo)的金屬研究所的工作。為此，中科院院長路甬祥先生發(fā)了賀電，當(dāng)時(shí)安徽副省長汪洋代表省政府也發(fā)了賀詞[5]，其意義在于葛庭燧先生是我國第一位也是亞洲第一位獲此獎(jiǎng)的人。為紀(jì)念葛庭燧，在我國建立了三座葛庭燧銅像，一座在沈陽中科院金屬所，一座在合肥中科院固體物理所，一座在其母校山東蓬萊一中。關(guān)于他的詳細(xì)介紹見葛庭燧傳[1]，這里不再展開。

葛氏扭擺及葛氏峰對(duì)材科基課程教學(xué)的影響

葛庭燧最重要的科學(xué)貢獻(xiàn)就是發(fā)明了葛式扭擺裝置（儀器）及發(fā)現(xiàn)了葛式（晶界內(nèi)耗）峰。這兩個(gè)詞被寫入了世界物理學(xué)詞典，是我們中國人的驕傲。據(jù)說物理學(xué)詞典中只有葛氏扭擺和黃昆散射兩個(gè)以中國人命名的專業(yè)詞。葛氏扭擺及對(duì)應(yīng)的內(nèi)耗法是最典型的用物理學(xué)方法研究金屬缺陷問題或機(jī)理的方法，是富有金屬物理學(xué)特色的研究方法。我國早期很多研究機(jī)構(gòu)都建立了內(nèi)耗研究室或?qū)嶒?yàn)室，如沈陽金屬所，合肥固體物理所，武漢大學(xué)，北京科技大學(xué)（物理系及金屬物理系都有）等。其最顯著的優(yōu)勢是通過扭擺轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的能量衰減，定量測出難以直接觀察的點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷運(yùn)動(dòng)行為，以及它們之間相互作用的原理、機(jī)制及激活能大小。葛氏（晶界）峰就是晶界滑動(dòng)伴隨的滯彈性出現(xiàn)的內(nèi)耗峰。雖然我們課程不講這種檢測方法，但這種測試法的獨(dú)特之處實(shí)在令人叫絕。難怪葛庭燧當(dāng)時(shí)是亞洲唯一獲Mehl 獎(jiǎng)的人。在我國，內(nèi)耗法或滯彈性一般在材料力學(xué)性能課程或材料檢測方法課程中介紹，即在學(xué)習(xí)材料科學(xué)基礎(chǔ)課程之后學(xué)到。而基于滯彈性理論的內(nèi)耗方法在德國哥廷根大學(xué)金屬物理所的P Haasen 教授編寫的教材《物理金屬學(xué)》[6]中，與電子顯微鏡、穆斯堡爾譜，能譜儀，X 射線儀，熱分析法一道介紹；此外，在德國亞琛工業(yè)大學(xué)G Gottstein 教授編寫的教材《材料科學(xué)的物理基礎(chǔ)》[7]中，在力學(xué)行為一章中的滯彈性一節(jié)里，定量介紹了Zener 提出的滯彈性及各種滯彈性理論公式及葛庭燧的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見圖2。葛庭燧先生的弟子孔慶平先生在《材料科學(xué)研究中的經(jīng)典案例》一書中介紹葛氏扭擺裝置時(shí)總結(jié)了這項(xiàng)技術(shù)的價(jià)值給我們3 點(diǎn)啟示[8]：（1）科學(xué)儀器是科學(xué)研究的必要手段，人們往往認(rèn)為只有用貴重的精密儀器才能獲得重要的科研成果。但經(jīng)過巧妙的構(gòu)思，用廉價(jià)的簡單工具也能得出重要的科研成果。葛氏扭擺是個(gè)杰出范例。（2）葛庭燧當(dāng)時(shí)遇到的困難是缺少測量低頻內(nèi)耗的設(shè)備，他勇于克服困難，敢于創(chuàng)新，想出用扭擺這個(gè)低頻的方法。（3）這項(xiàng)發(fā)明看似簡單，但科學(xué)上的靈感只有在科學(xué)知識(shí)積累的基礎(chǔ)上才能產(chǎn)生。由于葛庭燧有深厚的物理學(xué)功底，才能在此基礎(chǔ)上發(fā)明創(chuàng)造。從他在Mehl 講座報(bào)告中可看到他在研究晶界行為時(shí)所做的諸多工作，比如不同類型、不同轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)角的晶界與不同種類、不同含量雜質(zhì)作用下晶界過程的激活能測定及相關(guān)機(jī)制的推演。

圖2 德國亞琛工大材科基教材中介紹晶界滑動(dòng)導(dǎo)致滯彈性時(shí)引用葛庭燧1947 年兩篇文章中的3 個(gè)圖（a,b,c）[7] 以及 2 個(gè)錫晶粒在切應(yīng)力作用下沿晶界相對(duì)滑動(dòng)（d）

Mehl 獎(jiǎng)的獲得與材科基課程教學(xué)

學(xué)習(xí)材科基課程的學(xué)生都知道描述再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)或相變動(dòng)力學(xué)的Johnson-Mehl 方程。北科大的材科基課堂上也會(huì)介紹Mehl 獎(jiǎng)及Mehl 其人，特別是在精品課程建設(shè)時(shí)，為收集教學(xué)資源，在2004 年左右用照相機(jī)從清華大學(xué)圖書館借閱的《冶金與材料會(huì)刊》（Metallurgical and Materials Transactions A）上照下大多數(shù)歷年獲Mehl 獎(jiǎng)的文章，做成pdf 文件，放在學(xué)生自學(xué)平臺(tái)軟件系統(tǒng)上，作為學(xué)生課下進(jìn)一步學(xué)習(xí)的教學(xué)資源。Mehl 教授（見圖3）[9]在美國普林斯頓大學(xué)博士畢業(yè)，但其博士研究是其導(dǎo)師D P Smith 與德國哥廷根大學(xué)G Tammann 共同指導(dǎo)并在哥廷根完成的。他在1925 年還翻譯出版了G Tammann 所著的德文《凝聚物的狀態(tài)》一書（Aggregatzust?nde，英文：States of Aggregation）。在Tammann 和哈佛大學(xué)的A Sauveur 的影響下，Mehl 逐漸由化學(xué)領(lǐng)域轉(zhuǎn)向物理冶金方向。他于1935 年成為美國卡內(nèi)基大學(xué)冶金系主任，其主要研究領(lǐng)域是固態(tài)相變，擴(kuò)散，析出，塑性形變，擇尤取向和氧化。特別是其1931—1933 年與C Barrett 合作發(fā)表的4 篇魏氏組織研究非常有特色（我國第一代金屬學(xué)家周志宏先生也是因研究魏氏組織而成

圖3 R F Mehl 教授照片[9]

名，他在A Sauveur 教授指導(dǎo)下進(jìn)行的這項(xiàng)研究在1927—1928 年就完成了；Mehl 也是在哈佛大學(xué)的兩年期間關(guān)注魏氏組織的），確定了晶體學(xué)的慣習(xí)面，取向關(guān)系。他和同事明確了固態(tài)轉(zhuǎn)變中形核對(duì)新相長大所起的作用。他為R Cahn 編寫的“圣經(jīng)”《物理冶金學(xué)》撰寫了一章，題為物理冶金學(xué)發(fā)展史[10]。他的學(xué)術(shù)風(fēng)格比較嚴(yán)厲并有句名言：每天只工作8 小時(shí)不可能成為科學(xué)家。他早期對(duì)位錯(cuò)理論持否定態(tài)度，認(rèn)為那是虛無縹緲的東西；初期也不認(rèn)可Kirkendall 效應(yīng)[11]。我校金屬材料系第一任主任章守華先生在他當(dāng)主任的系里獲得碩士學(xué)位，當(dāng)筆者聽到章先生講到這段歷史及在西屋電器公司工作時(shí)，感覺一下子就拉近了所教內(nèi)容的距離，感到親切且勵(lì)志。

Mehl 獎(jiǎng)對(duì)應(yīng)的學(xué)會(huì)講座雖設(shè)立了100 年，即1921 年建立，但以他名字冠名的Mehl 獎(jiǎng)應(yīng)該沒有100 年。該獎(jiǎng)項(xiàng)由國際材料領(lǐng)域?qū)＜姨崦?jīng)美國TMS 學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)委員會(huì)評(píng)審和董事會(huì)審定后，頒發(fā)給在國際材料科學(xué)與工程領(lǐng)域做出突出貢獻(xiàn)并具有杰出學(xué)術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力的科學(xué)家。該獎(jiǎng)項(xiàng)每年在全世界范圍內(nèi)評(píng)選一人，是國際材料領(lǐng)域最具影響力的國際學(xué)術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)之一，享有很高的國際盛譽(yù)。推薦葛庭燧獲Mehl 獎(jiǎng)的7 位專家（報(bào)刊上介紹有10 名推薦人）是：A Cottrell（英國皇家學(xué)院院士，其成果在材科基課程中的體現(xiàn)見文獻(xiàn)[12]）,J Friedel（法國科學(xué)院院士，其成果在材科基課程中的體現(xiàn)見文獻(xiàn)[13]）,J.P.Hirth（位錯(cuò)研究大師，發(fā)表了《位錯(cuò)》專著和《位錯(cuò)研究歷史》一文[14]）,M Ashby（英國劍橋大學(xué)教授，英國皇家科學(xué)院院士）,M Koiwa（日本京都大學(xué)材料系教授，內(nèi)耗研究專家）,A V Granato（晶體缺陷研究專家，美國Illinois 大學(xué)教授，他是德國亞琛工業(yè)大學(xué)K Lücke教授在美國時(shí)指導(dǎo)的第一個(gè)博士生，用內(nèi)耗法研究位錯(cuò)擺脫溶質(zhì)原子釘扎并給出模型圖）,R.Cahn（英國劍橋大學(xué)教授，英國皇家科學(xué)院院士）。其中5 位的部分推薦詞印在《葛庭燧傳》一書的封底，見圖4。

圖4 《葛庭燧傳》一書的封底，印有5 名推薦專家的部分推薦詞[1]

圖5 給出葛庭燧的Mehl 講座文章的首頁[15]，發(fā)表在美國《冶金與材料會(huì)刊》上。這篇文章長達(dá)30 頁，展示了內(nèi)耗法研究晶體缺陷行為的有效性和系統(tǒng)的成果。

圖5 葛庭燧獲Mehl 講的報(bào)告首頁[15]

與葛庭燧密切交往的幾位科學(xué)家

與葛庭燧密切交往的科學(xué)家很多很多，從材科基課程角度，這里僅提及幾個(gè)人。首選的當(dāng)然是C Zener。材料科學(xué)基礎(chǔ)課程中至少有6 個(gè)概念與此人有關(guān)，分別是①彈性各向異性常數(shù)A，②擴(kuò)散的環(huán)形機(jī)制，③Zener 釘扎，④Zener-Hillert 長大方程，⑤Zener-Hollomon 參數(shù)，⑥馬氏體相變形核的Zener 位錯(cuò)切動(dòng)機(jī)制?，F(xiàn)在看來滯彈性這個(gè)概念及術(shù)語的介紹也應(yīng)提及他的名字。這在文章[16]中已介紹，并且該文也提到過他與葛庭燧的密切關(guān)系。然而，閱讀《葛庭燧傳》后才能有個(gè)全面的了解。C Smith 教授于1945 年創(chuàng)建芝加哥大學(xué)金屬研究所時(shí)招募到很多大師級(jí)人物，其中包括Zener，Zener 隨后到麻省理工學(xué)院（MIT）作報(bào)告并招募研究人員，在輻射實(shí)驗(yàn)室工作的葛庭燧聽到Zener 的報(bào)告后被吸引，因此參加到Zener 的研究組內(nèi)。Zener 比葛庭燧只大7 歲，Zener 于1948 年出版的著名的書《金屬的彈性與滯彈性》（該書由葛庭燧先生的弟子孔慶平先生等翻譯[17]），從理論上介紹了金屬的這些物理性質(zhì)。而葛庭燧于1946—1948 年創(chuàng)建的葛氏扭擺及相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了Zener 的理論，為他的著作出版提供了重要支撐。當(dāng)然葛庭燧先生后期有更豐富的滯彈性應(yīng)用的系統(tǒng)研究。這本書后來被翻譯成中文后，為我國研究者提供了便利。葛庭燧一家與Zener 一家有密切交往，這里不去展開和引用文獻(xiàn)。直到1980 年葛庭燧還去美國看望了Zener 先生，那時(shí)他已轉(zhuǎn)而研究能源轉(zhuǎn)換材料，而葛庭燧先生終生也沒有中斷內(nèi)耗法研究金屬中的晶體缺陷行為。

葛庭燧另一個(gè)交往密切的是德國金屬物理學(xué)家A Seeger，他是德國斯圖加特馬普金屬研究所的所長，1979 年受葛庭燧邀請(qǐng)來沈陽金屬所訪問，見圖6。同時(shí)，葛庭燧先生與夫人物理學(xué)家何怡貞教授及青年研究人員也到Seeger 所在的研究所長時(shí)間合作研究。Seeger 的交滑移模型，位錯(cuò)通過束集的方式進(jìn)行滑移的模型，加工硬化理論等在我們材科基課程中都介紹過[13,18]。他還計(jì)算了Snoek 氣團(tuán)中的位錯(cuò)擺脫釘扎所需的應(yīng)力。他的文章被引用20000 次以上，這在那個(gè)年代是非常多的。筆者雖然沒有見到過Seeger 教授，但聽到Haasen 教授的弟子蕭思群博士講述Haasen 教授介紹他與Seeger 交流粒子析出行為通訊交流的回信及簽字時(shí)，也感覺一下子拉近了距離，不再陌生而遙遠(yuǎn)。

圖6 1979 年Seeger 教授在沈陽金屬所講學(xué)，葛庭燧翻譯[1]

此外，葛庭燧先生還于1979 年邀請(qǐng)了P Haasen教授來沈陽金屬所訪問，這就有了我?？驴∠壬?qǐng)其來北京鋼鐵學(xué)院的訪問及后續(xù)的一系列故事[19]。由此我們可以想到葛庭燧先生與德國亞琛工業(yè)大學(xué)金屬及金屬物理所所長K Lücke 教授的科研合作。筆者于1992—1997 年讀博期間在亞琛金屬所就見到過葛庭燧先生的弟子孔慶平教授，2001 年筆者作為高訪再次去亞琛金屬所進(jìn)行合作研究期間，又見到過孔慶平先生的弟子蔡彬博士。可見雙方在晶界行為的內(nèi)耗法研究上的合作從葛庭燧-Lücke 時(shí)代到孔慶平-Gottstein 時(shí)代，“代代相傳”。讀了孔慶平先生的文章才知道，他在1978 年就以德國洪堡獎(jiǎng)學(xué)金學(xué)者的身份在亞琛金屬所與Lücke 教授在內(nèi)耗研究建立合作了[8]。

錢學(xué)森先生是兩彈一星功勛獎(jiǎng)獲得者，其專業(yè)領(lǐng)域是空氣動(dòng)力學(xué)，本來與我們材科基課程沒有直接的關(guān)系。但有2 個(gè)方面卻值得提及，一是上面引言中提到的葛庭燧先生20 世紀(jì)50 年代回國前作為美中留學(xué)生組織主席，向錢學(xué)森轉(zhuǎn)交過中共組織動(dòng)員錢學(xué)森回國建設(shè)祖國的邀請(qǐng)信，同時(shí)也親自寫信動(dòng)員錢學(xué)森回國，1994 年錢學(xué)森先生在給葛庭燧的信中還說，他永遠(yuǎn)不會(huì)忘記葛庭燧動(dòng)員他回國的事[1]。二是作為二戰(zhàn)戰(zhàn)勝國美國軍方代表，錢學(xué)森與其導(dǎo)師馮·卡門在德國“審訊”過為納粹工作過的德國著名空氣動(dòng)力學(xué)家、哥廷根大學(xué)L Prandtl 教授[20]，見圖7；Prandtl 是馮·卡門的導(dǎo)師。而這位空氣動(dòng)力學(xué)專家被認(rèn)為也是位錯(cuò)概念或理論的最早的提出者，時(shí)間是1928 年[21]，而Taylor、Polanyi 和Orowan三人提出位錯(cuò)概念是1934 年。當(dāng)然Prandlt 提出的位錯(cuò)雛形非常抽象，筆者看了原文[21]也很難看到位錯(cuò)的影子。有趣的是，G Taylor 和J Burgers 也都是流體力學(xué)家，卻都為位錯(cuò)的發(fā)現(xiàn)起了重要作用。想一想，位錯(cuò)也是在力的作用下產(chǎn)生并按一定方式傳播、產(chǎn)生作用的，位錯(cuò)與受力變形密不可分。這也是個(gè)跨學(xué)科并擦出火花、產(chǎn)生靈感的典型案例吧。Prandtl、馮·卡門和錢學(xué)森三代科學(xué)家，為3 個(gè)不同國家做成了導(dǎo)彈，Prandtl 為希特勒，馮卡門為美國，錢學(xué)森為我們中華人民共和國。這又體現(xiàn)了葛庭燧崇尚的名言“科學(xué)無國界，但科學(xué)家有祖國”的理念。

圖7 錢學(xué)森（中）和導(dǎo)師馮·卡門在德國哥廷根會(huì)見普朗特Prandtl[20]

在葛庭燧傳[1]中還可看到他于1984 年在合肥固體物理研究所與德國納米專家Gleiter 的合影、1984 年在日本召開的固體中的位錯(cuò)國際會(huì)議中與Nabarro 的合影。這些專家在我們課程教學(xué)中都介紹過。

材科基課程中顯示的葛庭燧的科學(xué)貢獻(xiàn)

表面看，在教材中難以找到與葛庭燧名字直接聯(lián)系的基本概念或術(shù)語，上面提到的在德國金屬物理教材中出現(xiàn)的也只是他的實(shí)驗(yàn)方法。與他直接有關(guān)的是晶界結(jié)構(gòu)模型。一般提及晶界結(jié)構(gòu)模型發(fā)展史時(shí)只提最早的Rosenhain 的晶界非晶模型（1912年），Mott 的大角度晶界的小島模型（1948 年），見圖8（a）；Read-Shockley 的小角度晶界的位錯(cuò)模型（1952 年），G Friedel 的CSL 重位點(diǎn)陣模型（1920 年）等。但葛庭燧于1949 年提出“無序原子群模型”[22-23]，見圖8（b）；比Mott 提出的時(shí)間晚1 年，它類似于Mott 的小島晶界模型。區(qū)別在于Mott 認(rèn)為晶界的多數(shù)區(qū)域是壞區(qū)，而葛庭燧認(rèn)為晶界的少數(shù)區(qū)域是壞區(qū)。其實(shí)葛庭燧在1948 年就發(fā)表了晶界結(jié)構(gòu)分析的文章[24]，只是沒有給出結(jié)構(gòu)模型示意圖。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，這種模型并不是憑空想出來的，當(dāng)時(shí)沒有條件直接觀察晶界結(jié)構(gòu)，而是通過他的內(nèi)耗法，測出晶界內(nèi)耗過程對(duì)應(yīng)的激活能值與溶質(zhì)原子擴(kuò)散激活能，純金屬自擴(kuò)散激活能值的對(duì)比得出的，由于這些激活能值相近，所以晶界上必然有規(guī)則排列的“好區(qū)”。由于兩種相似的模型提出的時(shí)間幾乎相同（最多差1 年），Mott 當(dāng)時(shí)是英國Bristol 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室主任，后來是諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，手下有Frank,Nabarro,Cottrell,Friedel 等一大批頂尖學(xué)者，而葛庭燧只是博士畢業(yè)后的科研人員。其直接領(lǐng)導(dǎo)Zener 高興地寫信告知Mott，稱一個(gè)來自中國的葛先生用自制的扭擺儀器發(fā)現(xiàn)了（晶界）內(nèi)耗峰，Mott 教授在回信中稱贊“這是一項(xiàng)非常了不起的工作”[1]。所以葛庭燧先生也直接貢獻(xiàn)了晶界結(jié)構(gòu)模型理論。1957 年晶界研究專家D McLean 教授出版的專著《金屬中的晶粒間界》[23]一書中專門介紹了葛庭燧的晶界結(jié)構(gòu)模型。而隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們可以直接觀察晶界結(jié)構(gòu)了，新的晶界或界面的專著中基本不再提早期的晶界結(jié)構(gòu)模型了。

圖8 Mott 于1948 年提出的小島模型（a）和葛庭燧于1949 年提出的無序原子群模型（disordered group）（b）[22]

滯彈性是課程中彈性變形中的一種（另兩種稱普彈性和高彈性），滯彈性一詞是Zener 首先提出的，相關(guān)理論也是他建立的，其專著（金屬中的彈性與滯彈性）稱為內(nèi)耗研究領(lǐng)域的“圣經(jīng)”。雖然我校劉國勛先生1980 年出版的金屬學(xué)原理教材及后續(xù)的材料科學(xué)基礎(chǔ)教材上就講了滯彈性及內(nèi)耗的含義，也給出了恒應(yīng)力下應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系（蠕變）曲線（見圖2（b）），還給出了體心晶胞中碳原子可以選擇的幾種間隙位置和在應(yīng)力作用下的擇尤跳動(dòng)分布圖；并介紹滯彈性理論應(yīng)用的兩個(gè)方面：阻尼減震材料和高彈性材料（如鐘表彈簧），和金屬微觀原子過程的研究手段。但缺乏相關(guān)背景及應(yīng)用的案例，這樣學(xué)生學(xué)起來就可能缺乏興趣，覺得太多要掌握的知識(shí)，記不住。教材中的恒應(yīng)力下應(yīng)變與隨時(shí)間的關(guān)系曲線本質(zhì)上就是葛庭燧的成果圖（見圖2（b））；體心晶胞碳原子跳動(dòng)位置圖就是Snoek 效應(yīng)示意圖；在金屬微觀過程應(yīng)用上，后面點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)線缺陷、面缺陷運(yùn)動(dòng)過程及其交互作用，都是應(yīng)用內(nèi)耗法研究的案例。葛庭燧晶界結(jié)構(gòu)模型也是通過測定晶界滑動(dòng)內(nèi)耗峰，并計(jì)算出其過程激活能并與原子擴(kuò)散激活能對(duì)比得出的推論。Snoek 氣團(tuán)，Bordoni 峰，葛氏峰等都是內(nèi)耗法應(yīng)用案例。所以授課時(shí)需要教師穿針引線，做好鋪墊；也可將這些背景知識(shí)做成案例放在課程網(wǎng)站上，作為教學(xué)資源，讓學(xué)生課下了解。

Zener 的《金屬的彈性與滯彈性》一書[17]中使用了葛庭燧的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖2 中德文教材引用的3 個(gè)圖分別出現(xiàn)在Zener 書中的第141，145，146 頁，特別是圖2（d）也是中科院固體物理所與葛庭燧像在一起的另一幅圖。這里提及課程中學(xué)到的Snoek氣團(tuán)，它是3 種氣團(tuán)（柯氏氣團(tuán)、史氏氣團(tuán)、鈴木氣團(tuán)）之一。在文獻(xiàn)中常出現(xiàn)Snoek effect，Snoek locking 和Snoek 氣團(tuán)。Snoek 效應(yīng)只是指C、N 間隙原子在BCC 鐵中活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)耗峰，可以是過飽和固溶的C、N 原子擴(kuò)散析出過程，與位錯(cuò)沒有關(guān)系；后兩者則是指間隙溶質(zhì)原子在螺位錯(cuò)附近的有序化現(xiàn)象。1939 年，Snoek 就使用鋁盤在扭轉(zhuǎn)扭擺的受力下對(duì)含間隙原子碳、氮的純鐵絲測定出的內(nèi)耗峰[25]；1941 年他用內(nèi)耗法測出并提出了溶質(zhì)原子在間隙位置產(chǎn)生的非對(duì)稱應(yīng)力場與外加切應(yīng)力場產(chǎn)生交互作用導(dǎo)致的內(nèi)耗峰[26]，這時(shí)仍沒有提到與位錯(cuò)的交互作用。直到后來Nabarro[27]、Sch?ck 和Seeger[28]、Eshelby[29]分別計(jì)算了螺位錯(cuò)應(yīng)力場與間隙原子的交互作用及擺脫釘扎所需的應(yīng)力，才有了Snoek 氣團(tuán)指溶質(zhì)原子與螺位錯(cuò)切應(yīng)力場交互作用產(chǎn)生的富集現(xiàn)象。Snoek 用的內(nèi)耗儀比葛庭燧先生還早，但兩者設(shè)計(jì)不同。日本京都大學(xué)的內(nèi)耗研究專家Koiwa（小巖昌宏，也是推薦葛庭燧先生Mehl 獎(jiǎng)的專家）在我國物理學(xué)進(jìn)展刊物上發(fā)表的紀(jì)念內(nèi)耗法發(fā)展史的文章[30]專門列出各種內(nèi)耗峰，Snoek 峰指溶質(zhì)原子活動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)耗峰，Bordoni 峰指位錯(cuò)活動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)耗峰，Koiwa 與其導(dǎo)師R.R.Hasiguti 發(fā)現(xiàn)的位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷交互作用的內(nèi)耗費(fèi)（Hasiguti 峰），Ke 氏峰指晶界活動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)耗峰，見圖9?？梢妰?nèi)耗法功能強(qiáng)大。

圖9 發(fā)現(xiàn)間隙原子內(nèi)耗峰的荷蘭物理學(xué)家J.L.Snoek（a）、發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)內(nèi)耗峰的意大利物理學(xué)家P.G.Bordoni（b）、發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷交互作用內(nèi)耗峰的日本物理學(xué)家R.R.Hasiguti（c）[30]

葛庭燧先生的科學(xué)人生對(duì)材科基教師教學(xué)的啟示

葛庭燧先生大概是世界上從事內(nèi)耗研究最久的學(xué)者，他寫過很多相關(guān)專著；也非常重視國外名著對(duì)我國專業(yè)人才培養(yǎng)的重要性，翻譯了一些重要的書籍。為學(xué)生、教師及科研工作者提供了重要的參考書。比如其1960 年翻譯的A Cottrell 于1953 年出版的專著《晶體中的位錯(cuò)及其范性流變》[31]，見圖10（a）。其實(shí)也是Cottrell 教書講義經(jīng)進(jìn)一步補(bǔ)充修改而成的，目的是既作為教學(xué)參考書，也作為技術(shù)人員的參考書。這個(gè)一書兩用的習(xí)慣是我國學(xué)者采用的方法，與單純的教材不同。另外值得一提的是，“位錯(cuò)”這個(gè)我們習(xí)慣的了專業(yè)術(shù)語，在早期有不同的譯法，最早是“脫節(jié)”，它與Dislocation 也挺匹配；但葛庭燧先生覺得這個(gè)詞太普通，不像專業(yè)詞，見圖10（b）。我國物理學(xué)家錢臨照先生在為楊順華教授編寫的我國第一部位錯(cuò)理論專著“晶體位錯(cuò)理論”的序言中寫道，柯俊先生1953 年回國時(shí)，錢臨照去接他，在前門附近旅社中兩人商議用“位錯(cuò)”一詞，見圖10（c）。即位錯(cuò)這個(gè)中文譯詞是我?？驴∠壬湾X臨照先生建議的[32]。不過葛庭燧先生仍覺得這個(gè)詞也不夠準(zhǔn)確，因?yàn)椤拔弧边@個(gè)詞表示的是位置，讓人認(rèn)為是點(diǎn)缺陷，而不是線缺陷，見圖10（b）。再有，1978 年沈陽金屬所邀請(qǐng)德國哥廷根大學(xué)的金屬物理研究所所長P Haasen 來訪時(shí)，葛庭燧先生曾想將其德文教材《物理金屬學(xué)》翻譯成中文，后來由我?？驴∠壬M織教研室進(jìn)行翻譯并出版了。圖10（d）中Haasen 在肖紀(jì)美先生牽頭翻譯的書的序言中可看出這個(gè)情景[33]。不管怎樣，我國的金屬物理前輩們?yōu)榭朔覈夹g(shù)人員英文語言問題，所做出的翻譯教材或教學(xué)參考書一事，為我們教學(xué)及教師也提供了方便。隨著我國對(duì)外交流的長期展開，現(xiàn)在翻譯圖書的數(shù)目已很少了。從葛庭燧先生1950 年發(fā)表的文章《一個(gè)新內(nèi)耗峰的發(fā)現(xiàn)和金屬中有原子脫節(jié)（位錯(cuò)）的實(shí)驗(yàn)證據(jù)》[1]一文中也可見當(dāng)時(shí)的譯名還不統(tǒng)一。

圖10 葛庭燧翻譯的A Cottrell 專著封三頁（a）[31]及位錯(cuò)一詞的中文譯法的觀點(diǎn)（b,c）截圖[31-32]，（b）為（a）譯著中對(duì)位錯(cuò)一詞譯法的說明，標(biāo)注在頁底；（c）楊順華編著“晶體位錯(cuò)理論”序言，錢臨照寫；（d）肖紀(jì)美等翻譯的Haasen 所著物理金屬學(xué)，Haasen 寫的序言[33]

圖11 是他獲得Mehl 獎(jiǎng)報(bào)告中的一個(gè)圖，也許對(duì)我們教師教學(xué)有一定的啟示。這個(gè)圖系統(tǒng)總結(jié)了用內(nèi)耗法測出的各種類型晶體缺陷對(duì)應(yīng)的不同的內(nèi)耗峰。既有點(diǎn)陣位錯(cuò)、位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)、竹節(jié)狀晶界，也有普通大角度晶界、多邊形化過程；既有純度差異的影響，也有不同方法制備單晶的對(duì)比數(shù)據(jù)。各內(nèi)耗峰的位置，寬窄、高度都不同，意味著過程激活能的差異。適合作為課程學(xué)習(xí)時(shí)對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)訓(xùn)練。

圖11 質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.999% Al 在高于室溫時(shí)出現(xiàn)的各種內(nèi)耗峰：PB 為竹節(jié)狀晶界峰;PL,PH 為高、低位錯(cuò)密度時(shí)的點(diǎn)陣位錯(cuò)峰;PK 為葛氏峰;P365 為位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)峰;PP 為多邊形化峰;S1 為Bridgmann 方法制備的單晶內(nèi)耗曲線;S2 為區(qū)域熔煉法制備的單晶內(nèi)耗曲線;PH′,PB′,PK′為對(duì)應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9999% Al.

作為材料專業(yè)主干課材科基的任課教師，以怎樣方式給學(xué)生講課才能起到盡可能好的效果，需要長時(shí)間的思考與磨煉，需要不斷豐富及更新自己的知識(shí)。簡單將一本固定的教材內(nèi)容講清楚是基本要求；但要使不同背景，不同能力，不同興趣度的學(xué)生都較大比例地被喚醒起來，或至少給他們留下一些深刻的印象，還是很難的?；靖拍町a(chǎn)生的歷史和基本概念應(yīng)用的未來，都是講解基本概念本身含義的重要鋪墊。不恰當(dāng)或過多引入也會(huì)產(chǎn)生偏離主題的不良效果。這需要教師基于自己的背景，將專業(yè)知識(shí)與名人故事融為一體，自然地、恰當(dāng)?shù)刂v給學(xué)生聽。

結(jié)語

葛庭燧先生豐富多彩且曲折的人生為我們專業(yè)課教學(xué)提供大量的人生哲理和跌宕起伏的故事。從課程基本概念，到其發(fā)明的葛氏擺技術(shù)，以及揭示出大量晶體缺陷行為的不同內(nèi)耗峰和分析出的機(jī)制和激活能數(shù)據(jù)；從其學(xué)術(shù)研究成長的軌跡，到直接參與的涉及中國革命和第二次世界大戰(zhàn)的活動(dòng)，再到其廣泛合作的國內(nèi)外大師，都給我們?nèi)松膯⒌稀＿@些事件與我們課程密切相關(guān)，是很好的精神食糧。希望了解這些歷史能對(duì)我們教師和學(xué)生的發(fā)展有所促進(jìn)和幫助。

致謝：北京科技大學(xué)第四批“課程思政特色示范課程”建設(shè)項(xiàng)目KC2022SZ08。