葛庭燧丰富多彩的人生与葛氏扭摆及葛氏峰对材料基础研究的影响

葛庭燧先生的科学贡献及对材料

科学基础课程教学的促进作用(一)

作者：杨平，北京科技大学材料科学与工程学院

内容导读：葛庭燧先生是金属物理学家，以其名字命名的葛氏扭摆及葛氏内耗峰（也称Ke氏峰）进入了物理学词典，并对揭示金属学（现在的材料科学基础）课程讲述的晶体缺陷行为起了重要的作用。葛庭燧的科研活动与我国抗日战争、第二次世界大战、新中国材料学科的发展直接相关，其科学人生与我国曲折的历史相关联，其信奉的“科学无国界、但科学家有祖国”的名言，展示了其高尚的爱国情怀，也激励后辈青年学者报效祖国。其提出的晶界结构模型及与国际材料大师合作的故事成为材料科学专业课程生动且令人感叹的案例。其获得Mehl奖的故事不但激励着材料专业学生及青年科技工作者，也为课程讲授注入了感人的素材。本文从不同的角度讨论了中国材料届前辈葛庭燧先生丰富的人生活动给课程教学带来的帮助和启迪。

葛庭燧先生（1913—2000年）的故事笔者从本科生阶段就有所耳闻，但并没有深刻的感触，这应该既与自己专业知识了解太少，也与自己的阅历肤浅有关。到了教师阶段，对他的了解陆续增加，感受也随着自己的阅历增长而加深，所受触动越来越大；后来阅读了《葛庭燧传》，算是对葛先生有了更全面的了解。因为从一件事、一篇报道、一篇论文获得的只能是若干点的信息，只有读完其人生传记，才可能对其有全面的认识。

笔者之所以关注葛先生，较多地去阅读他的书，最主要是由于笔者讲授金属学（材料科学基础，简称材科基）几十年，对其作为一名金属物理学家与材料科学基础发展的关系触动非常大。另外，笔者对葛庭燧先生的关注还是从一名专业课教师的角度出发，因此有与其他读者不同之处。笔者总在思考一个问题，这位金属物理学大师非凡的一生对我们课程教学的影响、帮助或者启迪是什么？若非是基于材科基课程教学来分析，感觉实在是轮不到笔者来分析他的人生对我们社会产生的影响。

为了更直观地观察其影响所体现的各个方面，笔者给出了一个关系图作为线索，见图1。这个图的核心有两点，一是葛庭燧本人，二是材科基课程。因此，除了从葛庭燧的“位置”出发的6个方面构成本文的6个讨论点外，蓝色虚线起点的“材科基”也构成了其他5个方面的联系，以显示笔者希望建立葛庭燧先生与材科基课程的密切关系。红线的建立也完全是为了虚线关系的表达，后者更是为了将葛庭燧的人生有机地融入我们课程教学中，在学生心中留下深刻印象。不但为了提高教学效果，更为了培养具有坚定强国意识、具有钢铁脊梁、具有钢筋铁骨的材料后备人才。

图1 本文讨论的线索示意图

葛庭燧丰富多彩且曲折的人生

葛庭燧先生多彩的人生体现在四个方面：

一是，他在清华大学读书期间参加过“一二·九”运动；在燕京大学读硕士生期间参加过冀中抗日斗争，为八路军提供科技图书、无线电元件和火药；他从美国加州大学博士毕业后还参加了美国二战时期的曼哈顿（原子弹）计划（铀的提炼产物的光谱检测）、辐射实验室（雷达技术）的研究。后两项对二战的胜利起到关键作用。

二是，其精彩的学习经历，清华大学物理系本科（1937年毕业）、燕京大学硕士（1940年毕业）、美国加州理工大学伯克利分校博士（1943年毕业）的学业，所就读高校都是国内外顶级院校。

三是，他崇尚号称法国微生物学之父的科学家巴斯德的名言“科学无国界，但科学家有祖国”的理念，并终生践行这个理念。留美期间，他担任美中留学生科协主席（1949年），动员青年科学家回国报效祖国，典型例子就是为中共组织转交邀请钱学森回国的信，其自己也附信一封动员钱学森回国。他是新中国刚成立就回国的科学家，在新中国成立1个月后的1949年11月就回到祖国参加建设。1950年8月，葛庭燧代表留美中国科学工作者协会，参加在北京召开的第一次全国自然科学代表大会，在会议期间受到毛泽东主席接见。1955年他就成为学部委员（院士前身）。他在国内一直提倡在中国的土地上、靠自己培养的研究人员、做出世界一流的科研成果。他一直挂念着自己在国外读书（例如英国剑桥大学）的学生能回国效力。

四是，他是我国金属物理研究的奠基人之一。回国后，葛先生在清华大学任教，早在1951年他就在清华大学开设物理系的金属物理课程。冯端先生所在的南京大学是1953年在物理系建立了金属物理教研室；周如松教授所在的武汉大学物理系是在1954年开启物理系的金属物理专门化；北京钢铁工业学院（后为北京钢铁学院、北京科技大学，以下简称“北科大”）的柯俊先生是在1956年建立我国第一个金属物理专业。

葛庭燧先生在1952年我国院系调整时（北科大在这年由包括清华大学在内的6所高校的部分院系组建而成），离开清华大学去沈阳（与李熏先生一起）创建了中国科学院沈阳金属研究所；1980年又去合肥创建中科院固体物理研究所。其人生的曲折表现在“反右运动”和“文革”时期的被隔离，不能正常参与其热爱的金属物理研究或被迫停止近20年。但他初心不变，仍然爱党爱祖国。20世纪70年代后期，他重新开始金属物理方面的研究，特别是将金属晶体内耗法研究做到了世界最前沿，终于在其生命终止的前一年（1999年）获得美国金属、矿物、材料学会（TMS）颁发的Mehl奖，这个奖很大程度上也基于他在国内进行的前沿基础研究，而不仅仅是因为他20世纪40年代末在美国芝加哥大学C.Smith领导的金属研究所的工作。为此，时任中科院院长路甬祥先生立刻给葛先生发了贺电。时任安徽副省长汪洋代表省政府也发了贺词，其意义在于葛庭燧先生是我国第一位也是亚洲第一位获此奖的人。为纪念葛庭燧，我国建立了三座葛庭燧先生铜像，一座在沈阳中科院金属所，一座在合肥中科院固体物理所，一座在其母校山东蓬莱一中。关于他的详细介绍见《葛庭燧传》，这里不再展开。

葛氏扭摆及葛氏峰

对材科基课程教学的影响

葛庭燧最重要的科学贡献就是发明了葛式扭摆装置（仪器）及发现了葛氏（晶界内耗）峰（现象）。这两个词被写入了世界物理学词典，是我们中国人的骄傲。就笔者所知，物理学词典中只有“葛氏扭摆”和“黄昆散射”两个以中国人命名的专业词。

葛氏扭摆及对应的内耗法是最典型的采用物理学方法研究金属缺陷问题或机理的方法，是富有金属物理学特色的研究方法。我国早期很多研究机构都建立了内耗研究室或实验室，如沈阳金属所、合肥固体物理所、武汉大学、北京科技大学（物理系及金属物理系都有）等。

葛氏扭摆最显著的优势是通过扭摆转动产生的能量衰减，定量测出难以直接观察的点缺陷、线缺陷、面缺陷运动行为，以及它们之间相互作用的原理、机制及激活能大小。葛氏（晶界）峰就是晶界滑动伴随的滞弹性出现的内耗峰。虽然我们课程不讲这种检测方法，但这种测试法的独特之处实在令人叫绝！难怪葛庭燧当时是亚洲唯一获Mehl奖的人。

在我国，内耗法或滞弹性一般在材料力学性能课程或材料检测方法课程中介绍，即在学习材料科学基础课程之后学到。在德国哥廷根大学金属物理所P.Haasen教授编写的教材《物理金属学》中，将基于滞弹性理论的内耗方法与电子显微镜、穆斯堡尔谱、能谱仪、X射线仪、热分析法一道介绍，可见这种方式在材料测量仪器中的地位；此外，在德国亚琛工业大学G.Gottstein教授编写的教材《材料科学的物理基础》中，在力学行为一章中的滞弹性一节里，定量介绍了Zener提出的滞弹性及各种滞弹性理论公式及葛庭燧的实验数据，见图2。

葛庭燧先生的弟子孔庆平先生在《材料科学研究中的经典案例》一书中介绍葛氏扭摆装置时总结了这项技术的价值给我们的3点启示：

（1）科学仪器是科学研究的必要手段，人们往往认为只有用贵重的精密仪器才能获得重要的科研成果。然而，经过巧妙的构思，用廉价的简单工具也能得出重要科研成果，葛氏扭摆就是杰出范例。

（2）葛庭燧当时遇到的困难是缺少测量低频内耗的设备，他无畏难题，勇于克服困难，敢于创新，想出了采用扭摆这种低频的方法。

（3）这项发明看似简单，但科学上的灵感只有在科学知识积累的基础上才能产生。由于葛庭燧拥有深厚的物理学功底，才能在此基础上发明创造。从他在Mehl讲座奖报告中可以看到他在研究晶界行为时所做的诸多工作，比如不同类型、不同转轴和转角的晶界与不同种类、不同含量杂质作用下晶界过程的激活能测定及相关机制的推演。