材料科学与工程——金属材料工程专业沿革与进展

1、材料科学与工程材料科学与工程 金属材料工程专业沿革与进展金属材料工程专业沿革与进展 江苏大学材料学院 罗新民 2021-7-252 1. 材料科学与工程学科的发展对高等工程教育变革的推动材料科学与工程学科的发展对高等工程教育变革的推动 2. 全球化高科技竞争对材料科学与工程人才的新要求全球化高科技竞争对材料科学与工程人才的新要求 3. 金属材料及热处理专业人才的教育教学改革及其进展金属材料及热处理专业人才的教育教学改革及其进展 主要内容主要内容 2021-7-253 Source: Robert W. Cahn. The Coming of Materials Science. Departm

2、ent of Materials Science and Metallurgy, University of Cambridge, Cambridge, UK 1. 1. 材料科学与工程学科的发展对高等工程教育变革的推动材料科学与工程学科的发展对高等工程教育变革的推动 2021-7-254 Introduction to materials 材料导论材料导论 Thermodynamics of materials 材料热力学材料热力学 Kinetics of materials 材料动力学材料动力学 Physical metallurgy 物理冶金物理冶金 Processing and pro

3、perties of ceramics 陶瓷制备与性能陶瓷制备与性能 Composites 复合材料复合材料 Fundamentals of polymers 聚合物基础聚合物基础 Polymer processing 聚合物工艺聚合物工艺 Mechanical behavior of solids 固体力学性能固体力学性能 Materials engineering design 材料工程设计材料工程设计 Materials characterization laboratory 材料表征实验材料表征实验 Engineering computational laboratory 工程计算实验

4、工程计算实验 Degradation of material 材料破坏材料破坏 Failure analysis 失效分析失效分析 Phase equilibrium 相平衡相平衡 Senior design project 高级设计课题高级设计课题 1.1 1.1 国外国外 材料科学与工程本科专业材料科学与工程本科专业 典型的课程设置典型的课程设置 2021-7-255 本科阶段学习材料科学与工程专业； 研究生阶段进入专攻：如金属材料、复合材料等； 金属材料仍然是最基本的学习内容，包括钢铁材料、非晶态合金、 结构金属材料、功能金属材料等，主要研究它们的成份比例和微观结 构对材料力学和物理性能

5、影响。学习的主要课程有当代材料、材料科 学和工程介绍、金属处理、粉末冶金、腐蚀与防护等。从国际社会现 代材料科学与工程的课程设置来看，基本遵循了金属材料学科的发展 规律。 1.2 1.2 国外材料科学与工程专业人才的培养程序国外材料科学与工程专业人才的培养程序 2021-7-256 1.3 1.3 国内外专业技术人才的教育培养体系国内外专业技术人才的教育培养体系/ /模式模式 国际社会高级热处理专业技术人才的教育体系除正规高等教育实行 市场竞争机制指导下的按需培养按需培养外，十分重视与企业、科研项目联合与企业、科研项目联合，重 在人才的实际应用。 国际国际 p 曼哈顿计划 (Manhattan

6、 Project) ； p 阿波罗计划 (Apollo Project); p 星球大战计划 (Strategic Defense Initiative- Star Wars Program); p 新一代汽车合作计划 (Partnership for New Generation of Vehicles-PNGV) p “先进制造业伙伴关系”计划(AMP) 比较：我国：两弹一星比较：我国：两弹一星 / 大飞机大飞机 / 物联网物联网 / 海洋开发海洋开发 / 载人航天载人航天 借助借助国家级项目集中和造就大批综合性创新人才国家级项目集中和造就大批综合性创新人才： 共性技术 如德国、法国的如德

7、国、法国的“工程师文凭工程师文凭”模式教育。模式教育。 2021-7-257 发达国家利用其优裕的生活条件和优越的工作环境引进世界各国科 技移民。美国现在每年引进的高科技人才超过20万人，而美国自己的教 育机构仅能满足人才需求的1/3。美国高科技人才的收入包括：奖金、 利润分成、收益分成等，此外，还可享受美国比较完善的社会福利制度、 退休金制度和医疗保险制度等。据美国国家科学基金会统计，约25%的 外国留学生学成后定居美国，被纳入美国国家人才库；在美国科学院的 院士中，外来人士约占1/5；在美籍诺贝尔奖获得者中，有1/3非本土出 生。 1.41.4 用政策吸引学有所成的优秀人才用政策吸引学有所

8、成的优秀人才 但应该看到， 我国目前实行的人才政策也已经开始吸引大量学成 人才归国，这对热处理行业来说是一个极好的借鉴和机遇。 2021-7-258 1.51.5 我国材料热处理专业人才培养的沿革我国材料热处理专业人才培养的沿革 值得思考：值得思考：当年将产品、工艺技术等设为大学专业后对我国热处理人 才队伍建设与国民经济建设的历史性贡献 上世纪50s年代始，国家需要大量的工科技术人才，教育的重心放 在与经济建设直接相关的高等教育，尤其是工程和科学技术教育上；教 育计划与国民经济建设计划紧密相连，按产业部门、行业来甚至按产品 和工艺设立学院、系科和专业，确定招生和学生分配；国家对高等教育 实行垄

9、断，学生全部免费。 Souece:中国高等院校1952年院系调整 http:/ 2021-7-259 改革开放前我国大学中没有严格意义上的材料学科（材料系），有 关材料的专业教学主要源自两大系统：冶金系统与机械系统 我国材料学系的缘起我国材料学系的缘起 金属材料热处理 铸造 压力加工 焊接 金属材料热处理 铸造工艺及设备 锻压工艺及设备 焊接工艺及设备 冶金类机械类 l 自动化及设备设计 l 机械制造概论 l 公差技术测量 初期特点：初期特点： l 强化专业针对性 l 工艺为主 l 热加工基础 l 偏重金属材料金属材料 l 钢铁冶金 l 冶金学 l 冶金原理 材料科学材料科学 与工程与工程 傅

10、恒志院士 2021-7-2510 大学A大学B大学C大学D大学E 材 料 科 学 与 工 程 学 院 材料工程系 材料成形及控制工程专 业 材料工程系 冶金工程 金属材料工程 金属材料与工程 系/ 专业 金属材料工程 专业/系 金属材料科学与 工程系/专业 材料科学系 金属材料工程专业 材料物理专业 电子信息材料系 有无机非金属材料工 程 材料物理 电子科学与技术 材料成型与控制 工程系/专业 材料物理专业 /系 材料加工工程系/ 专业 焊接技术与工程系 焊接技术与工程专业 高分子材料系 高分子材料与工程专 业 复合材料与工程 系/专业 粉末材料科学 与工程专业/系 材料科学与工程 塑性成型工

11、艺及设 备系/专业 建筑材料系 无机非金属材料工程专 业 高分子材料与工程专业 高分子材料与合 成工程系/专业 无机及光电子材 料系/专业 2021-7-2511 1998年，教育部颁布普通高等学校本科专业目录，该目录的学 科门类与国务院学位委员会、原国家教委1997年联衔颁布的授予博士、 硕士学位和培养研究生的学科、专业目录的学科门类相一致。由此， 金属材料及热处理专业遂改设为“材料科学与工程”(一级学科)的“材 料学”（二级学科）下的“金属材料工程金属材料工程”专业，比照原专业名称可知， “金属材料”仍被保留，“热处理”变革为“工程”新的专业名称强 烈地体现了MSE学科对于专业建设的指导作

12、用，也体现了专业建设指导 思想的演变。 金相热处理金相热处理 金属材料及热处理金属材料及热处理 金属材料工程金属材料工程 ？ （19521952）（19771977）（19981998） 1.6 1.6 MSE对我国金属材料及热处理专业名称变革的影响对我国金属材料及热处理专业名称变革的影响 2021-7-2512 1.7 1.7 我国热处理专业人才构成我国热处理专业人才构成 专业人才教育专业人才教育：普通高等教育和职业技术教育已成为我国热处理高级工程技 术人才培养的主渠道。正规学历教育（博士后、博士、硕士、学士 ）和职业 技术教育（高职 / 专项技术训练）的变革受到行业高度关注和重视。 职工技

13、术培训职工技术培训：不断提高劳动力素质。 职业技术教育：职业技术教育：注重热处理一线的专业技术教育。 2021-7-2513 1.8 我国的我国的历程：前无古人，成就辉煌！前无古人，成就辉煌！ 一大批杰出人才一大批杰出人才 一大批科技成果一大批科技成果 一大批科研院所一大批科研院所 一大批现代企业一大批现代企业 为中国成为当今制造业大国奠定了雄厚的基础！为中国成为当今制造业大国奠定了雄厚的基础！ 2021-7-2514 The Student Body Is Changing Prof. Diran Apelian, Alcoa-Howmet Professor of Engineering

14、WPI, Worcester, MA 01609 USA; Distinguished Visiting Professor UC Davis, Davis, CA 95616 2021-7-2515 新时期：十二五规划至2020年 新任务：结构调整，产业升级 新形势：节能减排，持续发展 新挑战：自主创新，全球竞争 2.1 2.1 背背 景景 关键是人才和战略的竞争！关键是人才和战略的竞争！ 当今世界，热处理仍然是制造业的重要领域，潘健生院士深刻指出， “热处理是我国制造业发展的瓶颈热处理是我国制造业发展的瓶颈”。赵振业院士则在我国首次提出， “热处理是一类国家级的核心技术、关键技术和共性基础

15、技术热处理是一类国家级的核心技术、关键技术和共性基础技术”。 2. .全球化高科技竞争对材料科学与工程人才的新要求全球化高科技竞争对材料科学与工程人才的新要求 2021-7-2516 2.2 2.2 国际热处理界发展现状和趋势国际热处理界发展现状和趋势 据联合国的统计数字，按照汇率计算，美国制造业的产值为1.78万 亿美元，人均服务产值为1270万美元。中国制造业的产值为2.05万亿美 元，虽然总量超美国，但人均服务产值却为380万美元。除了技术因素 之外，其中的人才效益不言自明！ 据全球著名的热处理专业公司鲍迪克（Bodycote）估计，全球的热 处理市场在 200亿GBP(英镑)左右，而其

16、中约有一半是在美国。即便如 此，美国的“ 热处理工业远景2020（概要) ”依然指出，要加强人才资 源和教育；未来的人力资源是另一个主要挑战；热处理要吸引能学学善做做 的人才，并培养他们成为在整洁安全工作岗位上训练有素的雇员。 2021-7-2517 潜在的竞争对手潜在的竞争对手 印度作为一个领先的新兴经济体的长期上升是一个众所周知的话题。 其国内生产总值(GDP)和基础设施投资持续增长，在汽车行业有巨大的 潜力。汽车工业的增长提供了大量热处理需求，在西部已有四个主要汽 车制造中心的基础上今年又新增一个，印度汽车工业已有6年以13.1 % 的年持续增长率的成功经历。 今年的 “2013国际热处

17、理与表面工程联合会暨博览会”就在印度钦 奈举行，ASM（美国金属学会）在其网上估计印度的热处理产值将达每 年10亿美元，年增长率达12%。 2021-7-2518 “印这个拥有十二亿人口、与 中国有几乎三千公边界的邻居并 在中国一般百姓的潜意中。 中国与印的关系似乎也还没有震 撼感。但值得深思的是克强当总 后，访问的第一个国家就是印 。” 不同的视角不同的视角 2013-06-24 馮達旋 教授，國立清華大學 資深副校長(全球策略與企劃研考)：北京師範大學初訪 2021-7-2519 基于在汽车、机床和工具行业高品质热处理的庞大需求，已成功赚 钱的鲍迪克（Bodycote）对在中国的热处理商机

18、不表现出任何兴趣，他 们的回答非常明确：不。 虽然他们看到巨大的商机和利润，但问题是他们认为被要求更高的 标准，与当地企业竞争显得非常困难。 他们经过漫长而艰辛的历程，已成功地将业务集中于在中国的西方 制造商，而把那部分低走和肮脏的业务留给当地的热处理企业(leaving the down and dirty portion of the business to local heat treaters）。 http:/ 优势优势 or 劣势？劣势？ 2021-7-2520 赵振业院士指出，目前中国装备制造业面临“自主创新人才不足自主创新人才不足、 产业升级缺少共性技术支撑产业升级缺少共性技术支

19、撑”的两大瓶颈。 要摆脱瓶颈的制约和实现制造业腾飞的愿景都离不了人才的因素！ 作为大国崛起，中国要赶、超、创国际热处理先进水平，并获得相 应的地位，人才问题是重要的先行考量之一。 2.32.3 院士的呼吁院士的呼吁 2021-7-25212021-7-25 2.4 2.4 国内热处理行业的人才新需求国内热处理行业的人才新需求 p 突破性专业人才：满足国家核心竞争力发展需要、自主组织热处理共 性技术攻关和研发创新重中之重的领军人才； p 跨行业技术人才：保障现代化热处理生产和有效开展节能与环保； p 高水平管理人才：熟悉国际金融、国际贸易和现代企业管理； p 高技能操作人才：符合ISO认证的用工

20、标准、技艺精湛。 规划规划：热处理行业“十二五”发展规划 和 国家中长期人才发展规划 纲要（20102020年） 人才新需求：人才新需求： 人才是指具有一定的专业知识或专门技能，进行创造性劳动并对社会作出贡献的人，是人力资 源中能力和素质较高的劳动者。 2021-7-2522 根据全球化和MSE发展带来的挑战，我国材料热处理行业应具有 结构合理的四支突破性创新型人才队伍四支突破性创新型人才队伍： 在全球行业间具有影响力的、掌握现代科学技术，能积极开展 关键和核心技术攻关和学术交流活动的高层次专业领军人才（包括海 归）； 国家支柱产业中材料热处理技术领域业务主持和研发工作的砥 柱力量； 行业内部

21、各专业技术领域攻坚克难的技术权威（行业骨干）； 生产第一线作业的全能技术骨干和技术明星。 2.5 2.5 突破性创新型热处理人才结构突破性创新型热处理人才结构 2021-7-2523 2.6 2.6 突破性创新型热处理人才地位和作用突破性创新型热处理人才地位和作用 热处理共性热处理共性( (核心核心) )技术技术 理论上创新理论上创新 科学科学 实践实践 技术上突破技术上突破 目目 标标 关键基础构件关键基础构件 整机性能整机性能 设计与制造设计与制造 服役与反馈服役与反馈 突破性创新型人才突破性创新型人才 保障型人才保障型人才 管理型人才管理型人才技术能手技术能手 2021-7-2524 2

22、.7 2.7 突破性创新型热处理人才的知识架构突破性创新型热处理人才的知识架构 材料学理论材料学理论 制造过程制造过程热处理交叉热处理交叉 （相变 疲劳 寿命） （关键、基础、构件） 组织与性能设计组织与性能设计成分设计成分设计 核心技术设计核心技术设计 目标构件与整机性能预测、模拟、控制、反馈目标构件与整机性能预测、模拟、控制、反馈 系统集成与升级；创新与突破共性技术；系统集成与升级；创新与突破共性技术； （计算材料学、材料基因） （工艺、（工艺、工装、检测） （材料制备与强化原理） 2021-7-2525 从国家层面出发，为贯彻落实胡锦涛总书记2011年4月24日清华大学 百年校庆重要讲话

23、精神的重要举措。是加快创新型国家建设的重要支撑， 是推动我国教育与科技、经济、文化紧密结合的战略行动。该计划通过 瞄准学科前沿和国家发展的重大需求，以机制体制改革为重点，以创新 能力提升为突破口，大力推进协同创新。重点是要构建： 2.8 2.8 新的机会新的机会：高等学校创新能力提升计划高等学校创新能力提升计划(“20112011计划”) n 面向面向科学技术前沿和社会发展的重大问题科学技术前沿和社会发展的重大问题（先进材料与整机性能）（先进材料与整机性能） n 面向面向行业产业经济发展的核心共性问题行业产业经济发展的核心共性问题（热处理共性技术）（热处理共性技术） n 面向面向区域发展的重大

24、需求区域发展的重大需求（区域经济规划和发展重点（区域经济规划和发展重点制造业）制造业） n 面向面向我国社会主义文化建设的迫切需求的协同创新平台与模式我国社会主义文化建设的迫切需求的协同创新平台与模式（人（人 才教育培养模式的协同创新）才教育培养模式的协同创新） 关键是要建立协同创新机制与体制。关键是要建立协同创新机制与体制。 2021-7-2526 2011计划将取代原有的211、985院校的格局和态势，成为我国最 新的建设世界一流大学投资计划。 按照 “2011计划” 的目标，未来，国内一批高校将从四个面向 出发，充分发挥高校多学科、多功能的综合优势，联合国内外各类创 新力量，建立一批协同

25、创新平台，形成“多元、融合、动态、持续” 的协同创新模式与机制，培养大批拔尖创新人才，逐步成为具有国际 重大影响的学术高地、行业产业共性技术的研发基地和区域创新发展 的引领阵地，在国家创新体系建设中发挥重要作用。 2011计划将为热处理突破性创新型人才队伍建设带来新的机制和机 遇，特别需要协同，我们准备好了吗？ 高等学校创新能力提升计划高等学校创新能力提升计划(“20112011计划”) 2021-7-2527 人才教育模式的改革探索是可持续发展的要求的必有之路，已经 采取的教育体制改革、专业名称改革、特色品牌策略等措施还不能充 分满足培养对象的求知欲望和个性发展、以及用人单位对人才的挑战，

26、因此，提高宝贵教育资源的利用效率、争取培养更多的创新型人才、 同时注意到人才的终身学习和通过现代网络自学和提高人才水平是人 才可持续发展的重要理念。此外，人才资源的优化结构、按需培养、 立足于用，需要在深入探讨人的发展和科学开发专业人才资源的基础 上探索多种可持续发展模式。 2.9 2.9 热处理热处理人才资源的可持续发展人才资源的可持续发展 2021-7-2528 3.1 3.1 金属材料工程专业的高层次建设金属材料工程专业的高层次建设 国家特色专业国家特色专业 我国现有60余所高校设置金属材料工程金属材料工程专业。随着高等教育由精英 化向大众化过渡，专业的建设除了教学内容的改革和重组外，品

27、牌战略 日受重视，包括省级品牌专业、省级特色专业和国家特色专业等，其中 尤以国家特色专业国家特色专业建设最具代表性，是我国热处理人才培养中最高层次 的建设项目。 3. 3. 材料热处理专业人才的教育教学改革及其进展材料热处理专业人才的教育教学改革及其进展 2021-7-2529 国家特色专业建设点基本情况统计国家特色专业建设点基本情况统计 批次批次 年份年份 获批总数获批总数 材料学科材料学科 分分 类类 MSE 金属材料工程金属材料工程 1 2007 420 0 2 2007 707 13 9 4 3 2008 691 11 8 3 4 2009 671 6 5 1 5 2009 83 0

28、6 2010 804 15 12 3 7 2011 78 4 4 2021-7-2530 3.2 3.2 国家特色专业人才培养方案改革的基本思路国家特色专业人才培养方案改革的基本思路 MSE 2021-7-2531 3.4 3.4 金属材料工程专业课程体系改革金属材料工程专业课程体系改革 2021-7-2532 3.5 3.5 例：金属材料工程专业教学大纲的改革例：金属材料工程专业教学大纲的改革 通识通识 + + 基础基础 + + 模块模块 2021-7-2533 3.6 3.6 与金属热处理相关的核心课程与金属热处理相关的核心课程 主干学科：主干学科： 材料科学与工程材料科学与工程 核心课程

29、：核心课程： 物理化学、金属学原理（按模块）、材料科学基础（新增）、材料物理 性能、材料力学性能、金属材料学、金属材料组织控制原理与技术（合并）、 材料分析技术（扩充） 金属材料工程金属材料工程 专业专业 物理化学、量子力学和固体物理学、材料学概论、材料科学基础、材料物理、材 料化学、材料力学、材料研究与测试方法、材料工艺与设备、计算机在材料学科中的 应用等。 参考：我国参考：我国 材料科学与工程材料科学与工程 专业的主要课程专业的主要课程 2021-7-2534 3.7 3.7 实践教学环节改革实践教学环节改革 2021-7-2535 3.8 3.8 教学方法改革教学方法改革自主式、研究型教

30、与学自主式、研究型教与学 2021-7-2536 1与现代制造业紧密联系，改变以往讲授专业课程主要针对材料/工艺转向 材料/工艺与构件/寿命并重；突出“关键”“基础”“构件”等重要理念， 鼓励学生向“突破性”和“巅峰” 目标设定自身的追求； 2 注重基础理论和应用理论的联系和覆盖，特别是“疲劳”、“可靠性”、 “模拟与预测”等带有“共性技术”特点的教学内容开始增加； 3 结合典型工件制造的技术路线分析，如服役要求、性能指标设定、失效原 理、选材与工艺（装）分析、技术关键攻克、寿命预测等的指导有所加强， 并从材料/工艺,构件/寿命出发关注整机性能来体现高新技术竞争； 4 加强与企业生产实际相结合

31、的专业实践和自主创新实践课题的锻炼； 5鼓励学生自主学习与自主实验，逐步相本科生开放实验室，提高学生专业学 习兴趣，启发学生创造性思维和动手能力。 3.9 3.9 金属材料工程专业培养过程改革动向点滴金属材料工程专业培养过程改革动向点滴 体现热处理是一门体现热处理是一门“理论性很强的科学，实践性很强的技术理论性很强的科学，实践性很强的技术” 2021-7-2537 u 国际化国际化着眼于全球化带来的新的关注点； u 工程师工程师（不是职称，是职位）为主要的着力点； u 职业技术教育职业技术教育着眼于新高度的新起点。 “ “材料热处理工程师材料热处理工程师”和“高级高级材料热处理工程师材料热处理工程师”技术资格认技术资格认 证证就是行业对人才培养的主动出击和良性干预，实质就是为企业人才 队伍考量的一种非营利性服务，高等院校大力支持这种制度，体现了 教育界与企业界互动的效果与价值。 3.10 3.10 主动配合热处理行业实用人才队伍建设主动配合热处理行业实用人才队伍建设 “卓越工程师卓越工程师”教育正在成为高等院校新的工程教育改革热点。 2021-7-253