一、项目名称
应力腐蚀基础理论研究及在工程中的成功应用
二、提名者及提名意见
李贺军（西北工业大学，教授）
推荐意见：力-环境耦合下的材料断裂，都与位错运动相关，最终是原子键的断裂。这是一个古老的问题，也是难啃的骨头。该团队几十年如一日，一直孤单地坚持在该领域的前沿不懈探索。从原子、位错和宏观层次，纳米、微米、毫米尺度多层次、跨尺度地对应力腐蚀机理进行了较透彻的研究。难能可贵的是，该项目将基础理论研究与工程实践相结合，产生了巨大的社会和经济效应。团队利用原子力显微镜在国际上首次实现原位观察单层石墨和云母在环境中裂纹形核和扩展的过程，为揭示应力腐蚀本质奠定坚实的实验和理论基础，在宏观层次上该项目团队在国际上首次提出氢和钝化膜对应力腐蚀的定量贡献，并把膜致附加应力作为环境敏感断裂的快速表征参量，为材料基因工程中应力腐蚀高通量表征技术提供全新视角。
研究成果在Acta Materialia, Corrosion Science, Scripta Materialia等传统金属权威学术杂志上发表论文200余篇，研究成果得到国内外同行的高度肯定，所发展的方法被广泛使用。
该项目有重要的发现和开拓创新，促进学科发展并指导了应用。推荐书内容属实，已经过所在单位公示，符合推荐要求。
贾金锋（上海交通大学，教授）
该项目团队从原子、位错和宏观三个层次上对应力腐蚀机理进行了系推荐意见：
统、深入的研究，揭示了应力腐蚀的多层次、跨尺度效应，把应力腐蚀机理研究推上了新台阶。同时该项目团队制备单层石墨的方法启发了Geim教授和Novoselov教授。两位教授采用同样方法制备了单层石墨—石墨烯诞生，从而使全世界对石墨烯的关注达到顶峰。更为关键的是该项目团队能够把理论研究与重大工程结构使役安全紧密联系起来，把“顶天”的理论结出“落地”的成果，真正把论文写在了祖国大地上。
在金属腐蚀领域能在Acta Materialia, Corrosion Science, Scripta Materialia等传统金属权威学术杂志上发表论文400余篇， 8篇代表性论文被SCI它引245余次实属难得。
该项目研究深入扎实，有重要的发现和开拓创新，促进学科发展并指导了应用。推荐书内容属实，已经过所在单位公示，符合推荐要求。
温维佳（香港科技大学，教授）
推荐意见：应力腐蚀问题是一个传统问题，但微观机理的认识有待深入。项目团队创造性地提出应力腐蚀的多层次、跨尺度关联研究，为传统学科的发展提供新的思路。经过近三十年的积累和沉淀，项目团队不仅推动应力腐蚀理论研究达到一个新的台阶，还将应力腐蚀理论成果成功应用于重大装备的失效分析和工艺改进，使炼化企业的油浆蒸发器寿命由原来平均1个月提高到现在的8年以上。不仅可减少不必要的停工抢修，节约大量维修的人力、物力，同时消除了重大安全隐患。更为重要的是，为换热器的改进提供了新的设计依据。应用到核电汽轮机已有纵向裂纹的叶片寿命评估上，给出不需更换的结论，创造了巨大的经济和社会效益。
研究成果在Acta Materialia, Corrosion Science, Scripta Materialia等传统金属权威学术杂志上发表论文400余篇，其中8篇代表性论文被SCI它引245余次，研究成果得到国内外同行的高度肯定，并得到成功应用。
该项目思路新颖，有重要的发现和开拓创新，促进学科发展并指导了应用。推荐书内容属实，已经过所在单位公示，符合推荐要求。
三、项目简介
因服役环境引起关键设备开裂不仅造成巨大的经济损失，也常常导致重大社会安全事故。尽管其机理研究已有近百年的历史，但微观机理研究比较欠缺。结构材料的断裂都与位错运动相关，而且最终是原子键的断裂。因此项目组主要从微观上在原子、位错和宏观三个层次上对应力腐蚀机理进行研究。这是在肖纪美先生带领下，自1987年获得《材料的氢致开裂及应力腐蚀机理研究》国家自然科学二等奖后，又经过30多年的研究，对应力腐蚀机理尤其是微观机理有了较透彻的理解，并在航天、核电和石油化工等关键设备上进行了成功应用，取得了重大的经济和社会效益。将基础理论研究成功应用于重大工程中，实现了从“顶天”的科学到“立地”的成果的应用。主要科学发现包括：
1.原子层次研究：首次用扫描探针显微镜原位剥离出单层石墨，获得了单层石墨和云母裂尖等二维材料的原子超点阵排列构型，直接观测到原子排列在不同载荷下或潮湿条件下的变化规律，即国际首次在原子层次上表征出断裂及环境断裂过程。所使用的单层石墨(即石墨烯)制备方法后被诺贝尔获奖者Geim和Novoselov所采用，他们在诺贝尔颁奖演讲中将其作为石墨烯早期创始工作专门提及，石墨烯领域11位顶尖学者联合撰写的综述评价其“因超前于时代而未在当时引起人们关注”，还受到Science等期刊文章广泛引用和评述。
2.位错层次研究：借助自制加载装置，率先在透射电镜下准原位地研究了应力腐蚀开裂过程，提出了金属材料韧脆断裂的新判据以及韧性材料发生应力腐蚀脆性开裂的新机理。在位错尺度上阐明了材料韧断和脆断的本质区别并非加载裂尖能否发射位错，而是纳米微裂纹在无位错区的扩展类型；发现腐蚀介质促进位错在低应力下发射、抑制纳米裂纹在无位错区钝化成孔洞，从而导致韧性材料的低应力脆性开裂。
3.宏观层次研究：在生产、加工、储运和服役过程中都会有氢进入到材料中，除过去考虑的氢脆问题以外，发现氢也影响材料的化学性能，可使点蚀和应力腐蚀速度增加1~2个数量级。提出了氢促进点蚀的半导体膜模型，给出了氢-应力-化学耦合的热力学计算公式，不仅填补了领域空白，也给预防点蚀和应力腐蚀的发生提供了新思路。还发现应力腐蚀造成的材料表面腐蚀产物膜会产生一个附加
拉应力，它协助外应力促进位错发射和运动，从而促进应力腐蚀裂纹形核。提出了环境导致附加应力是环境敏感断裂先决条件的论断，即无论是改变溶液成分、pH值、电位，还是改变氢浓度、钢的强度，只要环境导致附加应力大，应力腐蚀敏感性就高，如果附加应力为零，则不发生应力腐蚀。该附加应力与应力腐蚀具有很好的相关性，可作为表征应力腐蚀敏感性的新参量，具有快速、小试样、批量化的优点，大大节约了时间和成本。
基础理论的工程应用：应用于“长征5号”在高温高湿高盐雾环境下的服役安全性和“天宫二号”热控系统选材和服役安全性评价，取得了重要的社会效益。对核电和石油关键设备失效进行精准分析，使设备寿命提高了近百倍，消除了安全隐患，同时产生了巨大的经济效益。
四、客观评价
一、学术文献引用评价 成果一
项目组在石墨烯方向的开创性工作，在两位诺贝尔奖得主的获奖演讲
\"Graphene: Materials in the Flatland\"和“Random walk to graphene\"中，作为该领域最初五篇代表性论文之一专门提出，认为其开启了纳电子时代的新纪元。 2010年石墨烯领域11位顶尖学者在Nano Today上联合撰写的长篇综述中指
出的项目组该成果（首次剥离出单层石墨，即石墨烯）“由于远远超前了时代认识而在当时没有人们受到太多关注(previous works reporting graphene ... torn from graphite with an STM tip [19] appeared ahead of its time and did not receive much attention)”。
Chowdhury、Adhikari、Scarpa等领域知名学者在Science、J. Phys. D论文记
叙石墨烯历史时，多次将该项目组成果引为开篇首篇文献，认为其开创性在Geim等人的工作之前。 成果二
该项目组关于韧断和脆断本质的原为研究，被国际上广为接受。日本早稻田
大学Nagumo教授课题组在他们发表的一系列文章中（Philo Mag A，Scripta Mater，Metall Mater Trans A，ISIJ Inter等），多次引用该成果的观点。德国马普所(Max Planck Inst)和新日铁住友金属公司(Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation)也在Phys Rev B和Acta Mater上也引用了该代表性结果。 该项目组利用自行设计的特殊加载装置采用透射电子显微镜原位研究应力，
在国际上开创了应力腐蚀位错层次的先河，对本领域研究发展起了重要推动作用，英国牛津大学、日本东北大学为了开展了应力腐蚀的TEM研究，专门邀请该项目组的博士毕业生（黄一中）和博士后（陆永浩）。 美国密歇根理工大学受该项目组关于钝化膜影响表面力学性质的研究成果
启发，进行跟踪研究，开展了钝化薄膜微观结构-力学和化学行为之间的关系研究，并将结果发表在Thin Solid Films。爱荷华州立大学的Hebert等学者多年来一直追踪该项目组研究工作，在Acta Mater、Electrochemical Acta上多
次引用该项目组的研究成果。
国内清华大学、上海交通大学等高校的众多学者多次引用该项目组所得成果，
例如北航材料学院的刘建华教授在举证类似的观点时，用该项目组文章举例，进行了大段的引述；燕山大学钱立和教授课题组发表在Mat Sci Eng A上的一篇文章中，引用了该项目组含代表性论文二的6篇文章；华东科技大学发表在Mat Sci Eng A上的一篇文章集中引用了该项目组的9篇文章。 成果三
国内外学者对该课题组在氢-应力-化学环境耦合方面的系统研究成果高度评
价，北京化工大学左禹教授在Corr Sci文章中指出该项目组研究了氢对断裂应力的影响并准确获得了氢降低杨氏模量的规律（Yao and Qiao studied… they calculated…）；巴西联邦里约大学的Dick教授在Electrochimica Acta文章中高度评价了项目组获得的应力促进点蚀形核与应力腐蚀的规律（Zhu et al observed）；奥地利莱奥本大学的Mori教授在CorrSci的文章中对项目组获得高强钢氢致应力强度因子的成果大段引述并高度评价（Wang et al found…）。 项目组在利用扫描探针显微镜（SPM）的不同模式（AFM、MFM、SKPFM等）研究应力腐蚀的原位微区特性方面做出了特色创新工作，得到国内外同行学者的肯定，例如复旦大学李劲教授在J Alloy Compd的文章中介绍SPM在双相钢应力腐蚀行为研究时引用了项目组6篇文章作系统介绍，德国杜伊斯堡爱森大学Schleberger教授在Nanotechnol的文章中介绍项目组示范了利用SPM表征金属功函数及其受环境湿度影响的规律（…as Guo et al recently demonstrated.） 美国爱荷华州立大学的Capraz在Acta Mater的文章直接引述并高度评价该项
目组工作，认为褚武扬教授（Chu and co-workers, using ex situ measurements, found evidence that corrosion-induced tensile stress correlates with SCC susceptibility）发现腐蚀产物膜会导致拉应力，进而影响应力腐蚀敏感性，即承认了该项目组在膜致附加应力与应力腐蚀相关性方面的开创性地位。 国内外大批学者多次大段引述并高度评价该项目组在氢致附加应力方面的
工作，认为其极大推动了相关研究的发展，例如加拿大工程院院士骆静利在Corr Sci的文章中叙述氢致应力行为时多次反复引述该项目组成果；乌克兰国家科学院的Dmytrakh在Inter J Fatigue的文章中明确指出该课题组提出氢致应力的概念并通过大量实验证明氢致应力与氢浓度之间的线性关系；法国的Briottet在Inter J Hydrogen Energy的文章也指名引述了该项目组成果，认为其发现了氢降低屈服强度的准确关系；西安交通大学宋小龙教授在Mat Sci Eng A的文章中明确指出项目组发现了氢可以导致附加应力（Zhang et al revealed that…）；江苏师范大学王超教授在Corr Sci的文章中也整段引述该项目组关于腐蚀产物膜导致附加应力的论述。
二、综合评价及公认度
多年以来，项目组在应力腐蚀研究领域一直瞄准国际前沿问题，从事创新性的工作，以国际上尚未解决的难点（微观机理）为理论研究的主攻方向，以提高现役材料抗应力腐蚀能力以及发展抗应力腐蚀的新材料为应用研究的方向。近二十年，该项目组在应力腐蚀相关领域发表SCI检索论文420余篇，总被引3200余次，其中8篇代表做被他引257次（其中SCI他引245次）。项目组成员应邀做国际会议主旨报告（Keynote lecture）、特邀报告30余次，多次成功组织海峡两岸腐蚀论坛等国际学术会议。项目组成员先后荣获国家级有突出贡献的专家、全国优秀科技工作者、杰出青年基金、长江学者、教育部新世纪优秀人才、霍英东青年教师奖等荣誉称号，并担任863首席科学家、国家重点研发计划首席科学家等。该项目成果获得2014年中国腐蚀与防护学会科学技术奖一等奖“材料环境断裂机理多层次及跨尺度关联研究”。而且该项目组在对应力腐蚀微观机理深刻理解的基础上，在航天、核电和石油化工等关键设备上进行了成功应用，取得了重大的经济和社会效益，获得了用户单位的高度评价。
五、代表性论文专著目录
1. STM investigation on interaction between superstructure and grain boundary in graphite/Surface Science/Gan Y; Chu WY; Qiao LJ, 2003年539卷1-3期120-128页
2. In situ TEM study of stress corrosion cracking of austenitic stainless steel/Corrosion Science/Li JX; Chu WY; Wang YB; Qiao LJ, 2003年45卷7期1355-1365页
3. In situ SEM study of formation and growth of shear bands and microcracks in bulk metallic glasses/Materials Science and Engineer A/Li JX; Shan GB; Gao KW; Qiao, LJ; Chu WY, 2003年354卷1-2期337-343页
4. In situ TEM observation of crack healing in alpha-Fe/Scripta Materialia/Gao KW; Qiao LJ; Chu WY, 2001, 44卷7期1055-1059页
5. The mechanism of hydrogen-induced pitting corrosion in duplex stainless steel studied by SKPFM/Corrosion Science/Li M; Guo LQ; Qiao LJ; Bai Y, 2012年60卷76-81页
6. Study of correlation between hydrogen-induced stress and hydrogen embrittlement/ Materials Science and Engineer A/Zhang T; Chu WY; Gao KW; Qiao, LJ, 2003年
347卷1-2期291-299页
7. Mechanical properties of CO2 corrosion product scales and their relationship to corrosion rates/Corrosion Science/ Gao KW; Yu F; Pang XL; Zhang GA; Qiao LJ; Chu WY; Lu MX
5.245 2008年50卷10 期2796-2803页
8. Hydrogen embrittlement assessment of ultra-high strength steel 30CrMnSiNi(2)/ /Corrosion Science/Wang G; Yan Y; Li JX; Huang JY; Su YJ; Qiao, LJ, 2013年77卷273-280页
六、主要完成人情况
姓名
乔利杰
性别
男
排名 1 国籍
中国
工作单位 北京科技大学 二级单位 新材料技术研究院 完成单位 北京科技大学 对本项目主要学术贡献：
行政职务 党派 所在地
中共党员 北京
单位性质 大专院校
该项目主要负责人，对三项发现点均有重要贡献，负责整个项目的管理、规划和实施，领导了本项目研究的全过程，具体的贡献包括：从实验和计算模拟两方面在原子层次研究了材料的断裂过程；在位错尺度上阐明了金属材料韧断和脆断的本质区别；基于对大量SCC体系的研究，项目组提出了阳极溶解型应力腐蚀新机理，找出了环境导致脆断的本质；实验上发现氢促进了应力腐蚀裂纹的扩展速度、降低了应力腐蚀门槛值，发现了氢－应力－腐蚀之间的非线性耦合关系。是全部8篇代表性论文的共同作者。
姓名
宿彦京
性别
男
排名 2 国籍
中国
工作单位 北京科技大学 二级单位 新材料技术研究院 完成单位 北京科技大学
行政职务 党派 所在地
中共党员 北京
单位性质 大专院校
对本项目主要学术贡献：
宿彦京教授为本项目的第二完成人，对本项目的第3发现点作出了重要贡献，具体学术贡献包括：在黄铜-氨水等典型体系中研究了腐蚀产物膜对应力腐蚀的宏观影响，并从微观研究了位错的发射和裂纹的扩展机理，利用分子动力学从原子层次对疏松层引起的内应力进行了模拟纳米压痕；研究了氢降低钝化膜的力学性能从试验上直接测出腐蚀钝化膜所产生的附加应力，与计算模拟结果完全符合，证明了该应力能够促进位错发射和运动。这些结果清楚地解释了氢促进点蚀和应力腐蚀的机理。是代表作8的共同作者。
姓名
李金许
性别
女
排名 3 国籍
中国
工作单位 北京科技大学 二级单位 新材料技术研究院 完成单位 北京科技大学 对本项目主要学术贡献：
行政职务 党派 所在地
中共党员 北京
单位性质 大专院校
李金许教授为本项目的第三完成人，对本项目的第2、3发现点作出了重要贡献，具体学术贡献包括：在TEM中原位研究了应力腐蚀过程中裂尖位错组态的变化以及应力腐蚀裂纹的形核；完成了对316和316L不锈钢在沸腾MaCl2溶液中的应力腐蚀的形核和扩展机制的研究。是代表作2、3的第一作者，代表作8的共同通讯作者。
姓名
高克玮
性别
女
排名 4 国籍
中国
工作单位 北京科技大学 二级单位 材料科学与工程学院 完成单位 北京科技大学 对本项目主要学术贡献：
行政职务 党派 所在地
中共党员 北京
单位性质 大专院校
高克玮教授为本项目的第四完成人，对本项目的第2、3发现点作出了重要贡献，具体学术贡献包括：采用TEM原位观察发现腐蚀恒载荷下裂尖位错组态稳定后就不再改变，腐蚀促进位错发射和运动，相当于腐蚀过程产生一个附加拉应力，当位错发射、增殖和运动达到临界条件时，纳米级裂纹会在无位错区中或主裂纹尖端形核。是代表作4、8的第一作者，代表作3、6的共同作者。
姓名
褚武扬
性别
男
排名 5 国籍
中国
工作单位 北京科技大学 行政职务
二级单位 新材料技术研究院 完成单位 北京科技大学 对本项目主要学术贡献：
党派 所在地
中共党员 北京
单位性质 大专院校
褚武扬教授为本项目的第五完成人，对本项目的全部三个发现点均作出了重要贡献，具体学术贡献包括：模拟氢等环境因素影响位错发射及裂纹形核的过程及规律；阐明了应力腐蚀、氢脆、液体金属脆、膜致开裂等典型环境断裂问题的物理机制；发现环境产生附加应力是环境敏感断裂的先决条件，该附加应力可作为应力腐蚀敏感性的表征参量。是全部8篇代表作的共同作者。
七、完成人合作关系说明
该项目成果由北京科技大学乔利杰教授研究团队完成。北京科技大学环境断裂研究团队最早由肖纪美院士和褚武扬教授于上世纪五六十年代建立，开创我国氢脆及应力腐蚀研究先河，1986年批准成为冶金部开放实验室，1988年批准为冶金部重点实验室，1992年专为教育部重点实验室。在近20年中，由乔利杰教授为领导，带领宿彦京教授、李金许教授、高克玮教授等骨干组成的研究团队，以材料的服役安全和失效控制等国家重大需求为牵引，开展环境断裂与应力腐蚀的基础研究，并将基础理论研究成功应用于航天、核电和石油化工等重大工程中。研究团队已承担重点研发计划（项目负责人2项）、863（项目负责人2项）、973、国家自然科学基金（含杰出青年1项、重点5项）等数十项国家级科研项目，2006年还获得教育部“长江学者创新团队”支持。近20年，研究团队紧密合作，已在Acta Materialia, Corrosion Science, Scripta Materialia等传统金属权威学术杂志上发表论文400余篇，总他引3500余次，其中8篇代表作已被他引240余次。
八、知情同意证明
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