【访学归来】胡毅森:在宾夕法尼亚大学体会美国文化_锐晋医学
锐晋医学,宾夕法尼亚大学访学

【访学归来】胡毅森:在宾夕法尼亚大学体会美国文化

在宾夕法尼亚大学的这一年,我收获颇多。虽然遇到了一些困难,但经过自己的努力以及课题组老师、同学的帮助,我基本完成了科研任务,并深入了解了美国的文化和生活特色。

添加时间:2018-11-01

详细介绍

  在宾夕法尼亚大学的这一年,我收获颇多。虽然遇到了一些困难,但经过自己的努力以及课题组老师、同学的帮助,我基本完成了科研任务,并深入了解了美国的文化和生活特色。

  丰富的科研成果

  访学期间的主要任务是课题研究,内容是相场法计算ZL205A时效过程的析出行为。外导Dr. Long-qing Chen是相场计算领域的专家,在研究思路和研究方法上都给予了我极大的指导和帮助。

  在出国前,我们已经制定了研究计划,认为ZL205A的时效过程主要是GP区→θ”→θ’→θ,我们需做的是,运用相场法,计算该过程中的相变和析出相的长大行为,核心部分为θ”相转变为θ’相。

  然而,经过半年的计算,我们发现,相场法计算结果与实验不相符,对于ZL205A这一材料,其时效过程可能与一般Al-Cu二元合金不同。在经过不断的调研和讨论后,我们认为,由于受到微量元素Cd的影响,淬火过程的空位会被捕捉,从而加速θ’相的析出和长大,同时,Cd元素会扩散至析出相界面,抑制θ”相的形核。

  这样的发现,让我既高兴、又沮丧。高兴的是经过修正后,模型计算结果与实验基本吻合,能够较好地解释实验现象;沮丧的是由于前半年的工作重心一直放在θ”相到θ’相的转变上,新的研究结果彻底否定这一方向,导致访学前半年的工作大部分失去意义。

  当然,有赖于先前打下的基础,我用最快的时间完成了模型的修正,并针对课题研究要求修改了研究计划,完成了课题研究相场计算部分的内容。遗憾的是,由于时间有限,进一步提高研究深度所涉及的第一性原理计算部分并未完成,只能选择回国之后继续进行。

  在访学期间,我参加了TMS(矿物、金属和材料协会)会议和MS&T(材料科学与技术大会)会议,分别作了口头报告(图 1)和海报张贴(图 2)。这两次会议均由美国TMS举办,在机械加工、材料基础及应用研究领域具有极大的影响力,是全球材料科学与工程从业者的聚会。

  TMS2017是第146届年会,吸引了全球近70个国家材料科学与工程领域的专家学者和企业单位,内容涉及目前的热点领域增材制造技术,传统的材料加工领域,与模拟仿真结合的计算材料科学领域,能源、生物等特种材料领域等等。

  在TMS会议上,我投稿的文章Precipitation Modeling and Validation of Al-5%Cu-0.4%Mn Alloy Using Quench Factor Analysis被分在轻金属会场。作为当天上午第二个口头报告,现场有不少的听众,汇报结束后,针对我报告中的研究应用和新发现,与会专家提出了5个问题,我一一做了解答,其中针对淬火析出相的分析问题,为我的后续研究提供了宝贵的思路。

  会后,我与来自中国铝业公司的“千人计划”学者赵丕植教授做了交流,对铝合金在淬火和时效过程的变形控制问题进行了讨论。我向赵教授解释了本次报告所做研究的目的,提出在人工时效过程中引入蠕变应力进行淬火变形校正的方法。之后,我又与重庆大学吴桂林研究员商议了合作研究铝合金材料中高温析出T相的行为的可能性。

  在MS&T会议上,我的文章内容主要是偏析对ZL205A析出行为的影响的实验研究。开会期间,我重点听了轻金属、计算材料科学、金属与材料加工、先进材料加工等分会场的报告。来自德国Hydro公司的Juergen Hirsch受邀做了关于铝合金现状以及未来发展的报告,报告中他畅谈了铝在汽车、航天、建筑、能源等领域的广泛应用,并结合当前增材制造的研究热点,提出了铝在增材制造领域的应用潜力。

  技术方面,来自Oak Ridge National Laboratory的Amit Shyam介绍计算科学在铝合金材料发展中的应用,通过热力学的计算,研究了析出相对材料性能的影响,为我后续运用相场法计算研究铝铜合金θ’析出相演化提供了宝贵的经验借鉴。

  来自北德克萨斯大学的Rajiv S. Mishra通过介绍材料蠕变模型的发展以及最新的研究成果,提出了对材料蠕变机理的新看法,也为我研究铝合金蠕变时效行为提供了新的思路。

  来自格拉茨技术大学的M. Luckbauer则带来了他们自主开发的高精度激光热膨胀仪,并介绍了该仪器在在线监测铝合金时效过程方面的应用。不同于我所做的力学性能测试实验,该仪器通过测量铝合金时效过程中的体积变化,推测析出相的演化过程,可进行在线监测。M. Luckbauer还指出,在将来,该技术还可以直接获取铝合金淬火冷却过程的TTT和TTP曲线,若如此,将极大地降低铝合金TTT和TTP曲线测试的实验工作量。会议分会场众多,让我感觉分身乏术,遗憾无法参加聆听所有的报告。

  值得一提的是,今年TMS增选的四名Fellow中有三名是华人,包括Prof. Long-qing Chen、Lu Ke 院士和Prof. Yuntian Zhu。TMS Fellow总人数不到百人,三位华人科学家获选充分表明,华人在材料科学与工程领域的学术贡献。其中Prof. Long-qing Chen是我在宾夕法尼亚州立大学访学的导师,这让我受到很大的激励和督促。

  除了两次国际会议,我的一篇文章被 Metallurgical and Materials Transactions A期刊录用。该文主要研究ZL205A淬火过程的析出行为,是出国访学前完成的工作,在访学期间完成对审稿意见的修改,最终被录用。

  还有一篇文章在 Scientific Reports 期刊审稿中,这篇文章基于访学期间所发现的Cd元素对ZL205A时效析出行为的影响,将ZL205A析出过程划分为孕育、形核、长大、释放和粗化五个阶段(一般铝铜合金包括形核、长大、粗化三个阶段),并建立了描述该析出过程的数学模型,结果能够较好地与实验数据吻合。

  目前,第三篇文章正在撰写中,文章内容为对现有铝铜合金相场模型的修正以及修正后模型的计算结果分析。

  “聚会文化”与美国宾大课堂

  经过一年的学习生活,我对宾夕法尼亚州立大学的教育也有了一定了解。说实话,宾大的本科教育并不出彩,甚至有点“放纵”。有个玩笑说,宾夕法尼亚州立大学是一所聚会学校,学生不是在参加聚会,就是在宿醉中。事实上,由于学校坐落于小城市中,没有大都市繁华的娱乐设施,因此每逢周末,学生就会聚集起来,从而形成了这样的聚会文化。

  而不同于本科教育,宾大的研究生教育做得极好。在材料学院,我们的日常是每周二的咖啡会、周三的组会、周四的报告。咖啡会由材料学院自己举办,每周二早上10点会有材料学院的老师或者学生做两个报告,以学术研究为主,另有部分涉及实验安全、人生经历等。周三的组会是课题组内部讨论会,通过汇报研究进展,与导师和组内成员讨论,推动研究进度、启发研究思路。周四的报告则为研究生必修课,由学校邀请其他院校的杰出科研工作者来作报告,涉及各个专业的不同研究领域,真正做到了跨专业、跨院校的交流。

  此外,我还旁听了Dr. Long-qing Chen的Thermodynamics of Materials和Dr. Venkatraman Gopalan的Crystal Anisotropy 课程,学习了材料科学相关的一些知识,极大地帮助了我理解所做课题的内容。

  不知是否是巧合,这两门课程的教学均是以板书进行,而不是大学课程中常见的用PPT进行教学。在互联网、信息化教育大行其道的今天,板书逐渐被PPT所取代,我也有很长时间没有接触板书形式的教学。然而,在上课过程中我逐渐发现,虽然老师在授课过程中经常会因为疏忽,导致推导过程错误、需要纠正板书,甚至影响上课效率,但是,伴随着老师的板书过程,我能够紧跟老师的思路,深入理解课程的内容。个人认为,针对涉及大量公式和模型推导的课程,板书的授课效果是远高于PPT教学的。同时,学生的课堂活跃度极高,上课过程中面对不理解的问题,可以随时打断老师,请老师再做解释。

  当然,这样的课堂有利也有弊,好处是我们能够在课上就理解老师的授课内容,坏处则是上课时间往往不受实际课时限制,经常由于过多的打断,导致课程无法按时结束而导致拖堂。

  最有趣的是,在某次课程中,老师备课发现无法按时完成授课内容,因此在课前提前准备了大量零食和饮料,向学生说明拖堂的可能性,并允许学生课上随时可以吃零食和饮料,这一幕让我印象深刻。

  友善而有趣的异国文化

  生活的方方面面则更令我难忘。我所在的University Park分校位于宾夕法尼亚州正中心的州学院,这里还有一段小故事。

  据说,在学校建立之前,宾夕法尼亚的两座大城市匹兹堡和费城都想把学校建在自己的城市附近,因此闹得不可开交。最后,州长出面调解,让学校建在宾夕法尼亚的几何对角线交点处。因此学校建在了阿巴拉契亚山的山谷里,后成立小城市“州学院”。

  由于是小城市,国内飞抵州学院均需经过转机,我的行程便是从北京经由底特律,再到达州学院。不幸的是,在我抵达底特律、通过海关之后,却被告知飞抵州学院的航班因为天气原因取消,而最近的一次航班是在两天后,这对我和其他同一行程的人而言无异于晴天霹雳,甚至有女孩当场哭泣。

  而紧接着发生的事,给我留下了深刻的印象,一对美国夫妇走过来安慰女孩,并表示两人打算租车开往州学院,可以带上她一起。

  在接下来一年的生活中,我发现搭乘便车在美国似乎司空见惯,对于需要帮助的人,如果条件允许,车主们总会愿意伸出援手。然而不同于女孩的幸运,我在一阵焦头烂额的求助后,只能无奈选择在底特律机场周边住宿两天。

  生活上最大的收获莫过于厨艺的长进。对于中国留学生而言,若想吃到地道的中国菜,最佳选择莫过于自己动手。不同于国内的学生宿舍,美国大部分学生均在外租房居住,而校外租房的好处就是厨房及相关用具一应俱全。因此,在这一年中,通过不断的实践和尝试,我的厨艺不断精进,也成为了生活中一项有趣的谈资。偶尔邀请好友到家中做客,品尝自己的手艺,饭后闲聊、桌游等,也缓解了身在异国的思乡之情。

  此外,我还培养了另一项兴趣——钓鱼。美国优质的环境及相关的垂钓法规,使得河流中的鱼群得以保留,为广大“钓客”创造了极佳的垂钓环境。因此,在天气转暖之后,我便开始在周末与课题组的同学一同前往湖边垂钓。钓后放流,我享受着等鱼时的清闲以及中鱼时的愉悦,这让科研工作带来的紧张感得到了放松,同时也促进了自己与同学的友谊。

  在这一年中,我也抽空游览了一些城市,如圣迭戈、纽约、费城、匹兹堡。圣迭戈的中途岛号航空母舰,让我对中国首艘航空母舰“辽宁号”充满期待。作为一名制造专业的学生,航母整体结构的复杂令我叹为观止。随着中国制造水平的不断提高,中国首艘国产航母已成功下水。这样的消息对我而言,是一种自豪,也是一种敦促——敦促自己努力学好专业知识,紧跟科技前沿,为国效力。

  在纽约,我参观了帝国大厦、华尔街、时代广场等著名景点,感受了国际化大都市的魅力。但是,当我回想自己的成长经历,我发现,在自己成长的这二十多年中,中国的变化是翻天覆地的。也许,二十年前的纽约确实值得中国艳羡,但是,时至今日,中国的城市发展已经足以媲美任何国际化大都市。费城是美国独立宣言的签署地,也是美国独立的发源地,在参观了美国独立纪念馆,听了讲解员的讲解后,我深刻体会到,争取国家独立自主的艰辛以及重要性,一个国家的长治久安便是起源于此。匹兹堡曾是美国著名的钢铁工业城市,有“世界钢都”之称。然而,随着科技进步,经济发展重心的转移,匹兹堡荣光不再,二十世纪八十年代之后,匹兹堡的钢铁业务已经淡出,转型成为以医疗、金融及高科技工业为主的城市。

  美国是一个有趣的国家,从独立至今不到300年,但是,在各个城市,最多的景点就是博物馆:从圣迭戈的中途岛号航空母舰博物馆,到纽约的大都会博物馆、现代艺术博物馆,再到费城的艺术博物馆等等,各式各样的博物馆成为了解美国历史、人文、地理等的重要手段,也成为记录美国发展的地标。正所谓城市是国家发展的缩影,而个人则是城市发展的缩影。任何事物都在变化着,国家缺乏创新会落后,城市缺乏创新会萧条,个人缺乏创新会平庸。

  很高兴自己能够在一年内基本完成科研目标,在此,我要感谢宾夕法尼亚州立大学的Dr. Long-qing Chen的指导和支持,感谢组里同学的帮助,特别是博士生吉彦舟同学在搭建模型和程序编写上的协助,感谢共同租房的舍友们在生活上的帮助。同时,要再次感谢清华大学提供的基金支持,感谢课题组融亦鸣老师、王罡老师对我在美国期间科研和生活上的关心。最后,奉上Dr. Long-qing Chen组的中国留学生合影,祝自己以及Dr. Long-qing Chen组科研工作顺利,也祝清华大学博士生短期出国访学基金越办越好!
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