第二个规律：材料科学与工程两个“全过程”。材料研究是一个探索真知的过程。所以首先讲科学认识论和“全过程”的概念。科学认识论告诉我们，在人类认识客观世界中，要通过实践、认识、再实践、再认识……认识单元反复循环的过程，才能够到达相对的真理。认识世界的目的，在于能动地改造世界，这是认识论的基本概念。材料研究是寻求可用的材料，要通过材料—理论认识单元的反复循环过程，才能获得真知。这一认识单元是一个“全过程”。这个“全过程”的要素包括应用基础理论、应用技术、工程化生产和失效反馈，通过这个“全过程”的反复循环获得真知，获得一个好材料。材料科学和工程的这一“全过程”由两个“全过程”构成：一个是材料研制的全过程，一个是材料应用研究的全过程。材料研制要经历自己的“全过程”及其反复循环。它的全过程包括应用基础理论、材料技术、工程化生产和失效反馈；材料应用研究也要经历自己的“全过程”及其反复循环，包括应用基础理论、应用技术、工程化生产和失效反馈。这两个“全过程”是一个不可分割的整体。这就是说材料科学与工程像鸟一样具有两翼，像人一样有两只胳膊、两条腿，是不可分割的整体。人为地把材料研制和材料应用研究分割开来，你做材料的研究，他做材料的应用研究，应该说是不科学的。事实上在研究中确实遇到了很多问题。两个“全过程”形式上是一样的，它们的内涵却是完全不同的。什么是“应用基础理论”？前面说过，材料科学与工程属于应用科学范畴。通常，科学技术发展的过程是从基础理论到应用技术。在基础理论和应用技术之间还有一个环节就是应用基础理论。应用基础理论直接导致技术创新。基础理论可追溯到物理、化学等基础科学，它们和技术间还有很大的距离。比方说，研究一个高强度合金，首先要掌握它的强韧性机理，研究一个高温合金，首先要知道它的蠕变机理，这个“机理”就是应用基础理论。掌握了应用基础理论，才能做出高性能的材料，谁占有了应用基础理论，谁就能创新出高性能的材料。相反地，如果说没有掌握应用基础理论，即使你真的做出来一个材料，那也只是撞大运。所以说应用基础理论对于创新材料是至关重要的。然而恰恰就是这个应用基础理论，是当前非常薄弱的一个环节，甚至对这方面研究的资助也会遇到困难，管理人员不太认识它的重要性，这就导致了材料创新能力不足。“应用基础理论”的内涵是什么？对于材料研制来说，不同类型的合金，有不同的应用基础理论内涵。对高强度合金来说，内涵是强韧化机理，当然不只这一个，对高温合金来说是蠕变机理，对复合材料来说是界面理论，等等。材料应用研究的“应用基础理论”的内涵同样因不同合金、不同应用目标而不同。比方说高强度合金，必须知道它的疲劳机理，应力腐蚀机理，当然不止这两个；对高温合金，必须知道蠕变-疲劳机理、疲劳-蠕变机理，等等。材料研制的“材料技术”要素，材料应用研究的“应用技术”要素是主体技术。它们的基本内涵就是规律一中的“四要素”，就是说，按照“四要素”的内容去做材料研制，做材料应用研究。“工程化生产”要素是形成有价值的形式环节。材料研制要成材，材料应用研究要成件。“工程化生产”使“材料技术”、“材料应用技术”变成了有价值的形式。“有价值形式”有一定要求、有一定指标。我在这里就点了几条，当然这不是全部。这些指标就是：性能稳定，质量可靠，批次一致，数据齐全，价格低廉，否则就是没有价值的。显然，达到这些指标的要求，是一个生产过程的行为或者是企业的行为。所以我常说，在高等学校里，在研究院所里，出不来工程化生产技术。但是现在恰恰高等学校在研究工程化生产技术，研究院所也在研究工程化生产技术。试看，按照上述五条来检查，他们不可能达到要求，因为那里根本就没有这个过程。当然这与我们的现状，企业研究机构不健全等有关，有病乱投医。我理解中央提出的“企业是技术创新的主体”，就是因为只有“工程化生产”，才创造有价值的形式。
“失效反馈”要素的基本内涵对材料研制、材料应用研究是根本不同的。“失效反馈”要做什么呢？失效反馈是对赖以设计材料技术、材料应用技术的“应用基础理论”和“工程化生产”技术的验证。因为失效分析会得出服役环境下的失效机理。如果失效机理与所用的“应用基础理论”是一致的，应该说材料研制或材料应用研究的“全过程”走完了，获得了真知。如果是不一致的，就需要修正并重新去探索“应用基础理论”，再走一次循环单元或“全过程”，直至两者相一致。实践是检验真理的唯一标准。材料好使不好使，可用不可用，最终要靠服役来判别。因此，“失效反馈”应该说是材料研究“全过程”非常重要的一个环节。但是，这个环节却是非常薄弱的一个环节。在高等学校里没有几所学校设有这种专业，教给学生们的关于材料的基础知识中很少包括失效内容，知识是不全的。在研究机构里“失效反馈”还没有纳入到材料研究环节中，“全过程”没有走完。所以，应该特别强调“失效反馈”这个环节。
下面讲两个“全过程”的关系。我说，材料研制“全过程”赋予材料先天性能，也就是它的固有性能。因为材料是遵循着一定的应用基础理论研究得来的，没有哪个理论是万能的，所以没有哪一个材料什么性能它都具备，什么性能都是好的。材料应用研究“全过程”赋予材料后天的性能，或者说是使用性能。如果材料的先天性能不能满足构件服役需求的话，必须用后天性能来补充。所以说，材料的先天性能加上材料的后天性能才是服役性能。高性能的构件一定来自于这两个“全过程”。这里举例说明先天性能和后天性能之间的关系。不采用抗疲劳应用研究的技术时，超高强度钢300M的疲劳强度是680兆帕，采用了应用技术之后，疲劳强度达到930兆帕，提高了36%；高强度铝合金7475，采用应用技术会把它的微振磨损疲劳寿命提高100倍；钛合金Ti6Al4V抗疲劳磨削加工后疲劳强度从 100 兆帕提高到 440 兆帕；抗疲劳应用技术将高温合金GH4169在650℃下的疲劳强度从500 兆帕提高到700 兆帕，升高了40%。还有一组数据表明，从高强度的30CrMnSi钢发展到超高强度的30CrMnSiNi2A钢，再到300M钢，抗拉强度从1073兆帕提高到1950兆帕，提高了80%，疲劳强度从500兆帕升到700兆帕，提高了40%，就是说我们花了几十年的时间来研究这个系列的材料，疲劳强度提高了40%。应用研究的“全过程”，却把300M钢的疲劳强度提高了36%。把它们放到一块比较看一看，我们为什么不完成“应用研究”而要花30多年时间研究3个钢种去换取同一个疲劳强度的提高幅度呢？其他合金也有同样的现象。从这里面可以看到，材料应用研究这个“全过程”在材料发展中是非常重要的。再举一个7475铝合金的裂纹扩展速率数据：在434600循环次数下，不采用抗疲劳应用技术，裂纹扩展速率是3×10-4毫米/周次，采用了抗疲劳应用技术后，裂纹扩展速率降至2×10-7毫米/周次，裂纹扩展速率改善了1500倍！与7075铝合金相比，2524铝合金的裂纹扩展速率改善了一个数量级，而抗拉强度却降低了约60%。我讲这个数据除了说明应用技术对改善疲劳裂纹扩展性能的突出作用外，还想说现在机械构件设计都在采用损伤容限设计规范，为此很多人都热衷于研究所谓的损伤容限合金。实际上，损伤容限合金、非损伤容限合金只是一种叫法，铝合金2524，超高强度钢AF1410，资料上称为损伤容限合金。这些合金是怎么来的呢？它们是牺牲了强度换疲劳裂纹扩展性能。因为在现有的合金强韧化机理中，除了细化晶粒外，很少有机制可以做到同时提高强度和韧性的。也就是说强度要高上去，裂纹扩展速率就要增上去，反过来也是一样的。现在研究的损伤容限合金就是靠牺牲强度来进行的。但数据表明，做了材料应用研究，裂纹扩展速率会得到更大的降低。所以，我们在研究发展合金的时候，是否应当考虑究竟怎么发展？材料牌号发展和材料应用研究，究竟怎么来安排？另外，高强度铝合金、钛合金、超高强度钢和高温合金的固有特性是抗拉强度高、疲劳强度高。但这些高强度合金的一个突出弱点就是疲劳强度应力集中的敏感。敏感到什么程度？如果理论应力集中系数（Kt）是3的话，疲劳强度会降低约50%；是5的话，要降低约80%。因此，像涡轮盘构件的设计，材料的疲劳强度顶多只能用到50%；高强度材料用来设计螺栓时，疲劳强度只能用到20%。采用抗疲劳应用技术后，不管应力集中系数是多少，疲劳强度都会回复到接近于材料的固有疲劳强度。也就是说，只有完成了两个“全过程”研究，高强度合金才能够得到充分的应用。
应该指出，在这两个“全过程”中，当前主要强调的是材料应用研究“全过程”。一是因为材料应用研究确实给材料性能带来非常大的改进；另外一个原因就是当前应用研究还是个非常薄弱的环节。大家可以看看，在研的材料也好，已经用上型号、产品上的材料也好，哪些是做过应用研究的？再翻开材料手册看看，有多少个材料应用的数据？非常少。我这里再举一个更突出的例子，比如齿轮钢。齿轮钢用作齿轮的时候，用的不是材料本身，而要把材料表层硬化，用的主要是硬化层。所以，不做应用研究，齿轮钢就不能做齿轮。在研究涡轮叶片合金的时候，蠕变性能和抗氧化性能等有关抗高温性能都是主要技术指标，合金的这些性能也不会有什么问题。问题是叶片合金做成的叶片，它的服役状态用的不单纯是研究的材料指标，叶片上是蠕变机理，再往榫头方向，可能会变成蠕变-疲劳机理，在近榫头位置会变成疲劳-蠕变机理。完全不同的机理，需要完全不同的性能。所以在研究合金的时候，必须考虑到将来要做的叶片的情况，必须做应用研究。涡轮盘与叶片一样，只是在温度上可能不一样，在机理上不完全一样。树脂基复合材料也是一样的，要做应用研究。树脂基复合材料从非承力件用到次承力件后，它的疲劳行为如何？服役行为又是如何？都很值得去研究。直升机上用了碳化硅颗粒增强铝基复合材料，更应当做应用研究。对于均质材料，构件加工后内部夹杂物有可能到表面来并形成疲劳源，所以一定要提高材料纯度，研究提高疲劳强度的应用技术。对于颗粒增强铝基复合材料来讲，颗粒是一定会到表面上的，而且还有较多的数量，疲劳强度低，用作动载构件必须做应用研究，找出抑制疲劳强度降低的方法，难度更大。否则既不能发挥其比重小、结构减重目的，而且给服役留下许多隐患。大家设身处地想一想，橡胶的材料用作弹性轴承，透明材料用作风挡、座舱盖，等等，不完成应用研究全过程行吗？飞机、发动机、各种机械的高强度主承力构件寿命短、可靠性差，结构重，与国外差距大，究其原因，我认为与应用研究不充分关系很大。
20世纪90年代以前，我国战斗机起落架一直处于寿命短、可靠性差状态，严重制约了设计发展，威胁到使用安全。起落架采用GC-4超高强度钢，钢的抗拉强度达到1800兆帕以上，疲劳强度达到1065兆帕。但是，当应力集中系数等于3时，疲劳强度降至425 兆帕，降低了约60%，疲劳及应力集中敏感。由于没有做应用研究，从1965年直到1990年间，起落架从未达到过设计寿命要求，而且服役中不足100飞行小时就有服役故障出现，可靠性很差。采用抗疲劳技术后，起落架疲劳寿命达到3000飞行小时不失效。300M钢的抗拉强度达到 1900 兆帕，疲劳强度达到 1165 兆帕，应力集中系数等于3时，疲劳强度降至560兆帕，降低约50%，同样也是疲劳强度应力集中敏感。但是，由于做了应用研究，创新了抗疲劳应用技术，建立了抗疲劳技术体系，结果，起落架疲劳寿命一跃达到6000飞行小时不失效，超过美国F-15、F-16飞机300M钢起落架5000飞行小时世界最高规定寿命，自1991年服役至今无一例故障，可靠性很高。不难得出，材料应用研究改善高强度合金疲劳性能的成果多么显著，材料应用研究是多么重要。
我认为，当今讨论和强调材料应用研究的原因，还在于材料科学与工程遇到了与20世纪50年代相类似的问题，当时是材料科学与工程技术脱节，如今是材料研制与材料应用研究脱节，都制约材料的研究发展。材料科学与工程的形成推进了材料发展，突出两个“全过程”研究也必将推进材料的研究发展。材料科学与工程技术是材料技术的两翼，材料研制和材料应用研究也是材料的两翼，不可偏废。
