1920年11月15日，师昌绪生于河北省徐水县的一个书香门第家庭。
小学毕业后考入保定师范学校（保定二师），该校除了有较高教学水准外，还强调生产劳动教育，这对师昌绪日后所形成的艰苦朴素与热爱劳动的品格有很大影响。抗日战争爆发后，他随家人流亡河南，进入豫西淅川国立第一中学。该校学生中多数是平津冀等省市的流亡学生，他是其中一名活跃分子，积极参加、领导军训和下乡宣传抗日活动。
中学毕业后，师昌绪于1941年考入西北工学院矿冶系，因学习成绩优异，成为全校5名“林森奖学金”获得者之一。
大学毕业后被保送到资源委员会四川綦江电化冶炼厂。1947年转到鞍山钢铁有限公司工作。
1948年8月赴美留学，进入密苏里大学矿冶学院学习。次年5月获硕士学位，并获麦格劳·希尔（MeGraw-Hill）奖。1950年进入欧特丹（Notre Dame）大学任研究助教，同时攻读博士学位。
回国之路
中华人民共和国建立后，北洋大学聘他回国任教。因正值抗美援朝战争时期，美国政府禁止中国留学生回国，师昌绪只好进入麻省理工学院，在著名金属学家M.科恩（Morris Cohen）教授指导下从事研究工作。在此期间，他与张兴钤、李恒德等人组织有志回国的留学生，联名写信给周恩来总理，表达要求回国的强烈愿望。这封信成为中国政府在1954年5月日内瓦会议上抗议美国无理阻挠中国留学生回国的依据，后经中美大使级华沙会议，为中国留美学生回国打开了大门。
金属研究所
1955年6月，师昌绪回国，被分配到中国科学院金属研究所。当时正值第一个五年计划的建设高潮，金属所在李薰所长领导下，以大部分力量投入直接为国民经济服务工作，师昌绪被指定为金属所在鞍钢工作组的负责人。他的专长本是物理冶金学，而新的任务却涉及到炼铁、炼钢、轧钢等工艺问题，他毫不犹豫地挑起这副担子，领导全组完成了多项重要课题，显示出他知识渊博与处理大生产问题的能力。
1957年，金属所的研究工作重点转向军工尖端材料的研究。他被任命为高温合金研究组的负责人，兼任合金钢研究室主任。从此，他开始从事高温合金及合金钢的研究与开发工作。30余年来，他在科研活动方面的特点是：既重视新合金成分设计，又努力发展新工艺；既努力发展新合金品种，又重视应用基础研究；既从事科研课题的实验研究，又十分重视新合金推广应用。80年代后，他以更大的精力投入科技管理与科技政策研究，对中国科学技术的发展作出了贡献。
1956年加入九三学社，曾任九三学社第七届中央委员。
1957年，金属所的研究工作重点转向军工尖端材料的研究。他被任命为高温合金研究组的负责人，兼任合金钢研究室主任。从此，他开始从事高温合金及合金钢的研究与开发工作。
1963年开始，曾当选为第三、五、六届全国人大代表。
1980年当选为中国科学院院士。
创建工程院
1998年，师昌绪在学校作报告后为学生签名图册
1978年底，李恒德跟师昌绪在广州开会，听到中共十一届三中全会的公报，“振奋不已”，两人一起到广州闹市逛了一次街。1981年，中科院在长春开会，曾提出成立工程院，并责成张光斗、师昌绪等四位学部委员进行讨论，后因时机不成熟遭否决。
1982年创办并兼任中科院金属腐蚀与防护研究所所长。
1984年调任中科院技术科学部主任。
1986年任国家自然科学基金委员会副主任，嗣后被聘为该会特邀顾问。
1992年，师昌绪和其他5位中科院学部委员联名向中央递交报告，倡导成立工程院。师昌绪事后回忆，他们觉得中国发展经济，要靠工程师及工程技术人员，他们的地位亟待提高。报告获批后，师昌绪任筹备小组副组长。
1994年，工程院成立，师昌绪当选副院长。工程院建院之初，由于级别不明，即使拿着国务院批文，连申请专用邮政编码都申请不到。1994年11月初，师昌绪到中南海面见时任国务委员的李贵鲜，“希望明确为正部级单位”。1995年1月，工程院级别问题得到解决。
1995年当选为第三世界科学院院士。同年当选为第三世界科学院院长。
2011年1月14日上午，中共中央、国务院在北京隆重举行国家科学技术奖励大会。中国科学院院士、金属学及材料科学家师昌绪和中国工程院院士、内科血液学专家王振义荣获2010年度国家最高科学技术奖。
20世纪50年代后期，中国作出了高温合金生产立足中国的决定。师昌绪作为金属所高温合金研究组的负责人，从1957年起一方面带领金属所小分队常驻在抚顺钢厂，参加由冶金部主持的航空发动机的关键材料——高温合金联合攻关活动，同钢铁研究院、航空材料所有关人员一道，解决了中国最早试制开发的高温合金GH30的质量问题，继而对GH37、GH33、GH49、GH44等高温合金展开了试制工作。另一方面，在所内进行一系列研究与开发工作，如利用金属所1957年进口的真空感应炉，在中国率先进行铸造高温合金的研究，并于1959年研制出一种不含钴而其性能达到国际水平的镍基铸造涡轮叶片高温合金。
镍、铬是高温合金及合金钢常用的金属元素，当时中国稀缺，国外对中国进口实行禁运政策，使得中国在发展高温合金及高合金钢等关键材料方面十分艰难。针对这种情况，师昌绪提出了“以铁基代镍基高温合金及发展不含或少含镍铬的合金钢”的倡议。他利用中国拥有丰富资源的稀土元素，开展了“稀土在镍基高温合金中的作用”的研究，并与抚顺钢厂合作率先开发了一种铁基高温合金-808（GH135），代替了用量很大的镍基合金GH33，作为航空发动机关键部件——涡轮盘，投入了批量生产，装备了数以千计的发动机。他还在发展中国铁基高温合金的冶炼、压力加工、拉削与切削等工艺上作出了重要贡献。同期，钢铁研究院、上海钢研所及航空材料研究所也分别研制成功铁基高温合金GH130、GH302及GH140，其中GH140得到广泛应用。在师昌绪指导下，于60年代末金属所又研制出一种用于涡轮盘的铁基高温合金761，该合金的屈服强度高，并可在700℃长期工作，处于当时国际先进水平，现在为中国先进发动机所试用。
变形高温合金
金属所科研人员为“东风13”发动机，开发一种比GH49 性能更高的变形合金539，但存在着变形困难、成材率低等问题，师昌绪提出了包套挤压工艺方案，即在合金锭的外面包一个低碳钢外套，既可保温，又可起到润滑作用。在三向应力作用下，几乎任何难变形的合金锭均可挤压出棒材来。但由于50年代末，中国当时所拥有的挤压机能力太小，不可能提供出可应用之材。后来，这种包套工艺被扩展到包套轧制工艺，因而为中国变形高温合金的开发提供了新途径。
多孔气冷涡轮
1964年，金属所接受了航空研究院副总工程师荣科提出的“设计——材料——制造一体化”方案建议，将金属所、410 厂及六院二所组织在一起，通力合作研制出精密铸造多孔气冷涡轮叶片，使中国发动机性能提高一步。仅金属所就组织了上百名科技人员一起攻关，由师昌绪、胡壮麒“挂帅”。在研制过程中遇到许多技术难题，如型芯材料的选择，因在近100毫米长的叶身中，要均匀地排列粗细不等9个小孔，最细的直径仅0.8毫米，而在侧面进气口处还要有一个弯角。这种空心叶片比美国生产的那种从底部进气的短叶片型芯制作工艺要难得多。究竟采用何种材料制作型芯，他们查阅了许多资料也未解决。此时，他们从一美国杂志上刊登的一幅出售不同规格的细石英管的广告中得到启示，决定采用石英管做型芯材料，取得了突破性进展。此外，在型芯定位、造型、浇注、脱芯、壁厚测量以及断芯的无损检测方法上均作了细致的研究。仅用1年多时间，中国第一代铸造多孔空心叶片在金属所实验室诞生了。经过“吹风”试验与发动机厂试车，证实了空心叶片比实心叶片的表面温度降低了100℃以上，满足了设计要求。接着，师昌绪等又解决了生产中的成品率及合金质量等问题，10年后，国家把空心叶片生产转移到贵州基地，三机部仍点名由师昌绪带队，为其解决技术问题。当时贵州基地生活清苦，师昌绪全然不计较，日夜工作在车间里，分析技术难点、制订操作规程与建立检验标准。由于他的表率作用和科学态度，经过几个月的努力空心叶片生产终于突破了技术关，其成品率甚至超过已投产数年的实心叶片。1965年空心叶片研制成功，使中国成为继美国之后在世界上第二个采用铸造空心涡轮叶片的国家，直到90年代，中国主要歼击机发动机仍采用该工艺制作涡轮叶片，而且向国外大量出口。80年代初，英国著名航空发动机制造厂家罗·罗公司的总设计师胡克教授，当其参观中国研制的铸造空心叶片后，感慨地说：“单凭见到这一实际成就，就不虚此行。”该项成果具有独创性，因为参加该项课题组的人，包括师昌绪在内，没有一个人见过这种多孔叶片，更不要说它的制造工艺了。
新型高合金钢
师昌绪图册
师昌绪在从事航空用、民用高温合金研究开发的同时，在新型高合金钢方面也同样进行了大量研究开发工作。1958 年，他与姚汉武开发的不含镍的奥氏体耐蚀钢OCr17 Mn14Mo2N，用在尿素工业设备上，具有优异的抗蚀性。经中小型尿素厂推广后，获得好评。为了研究该种钢在尿素生产过程中，在缺氧条件下仍具有优异耐蚀性机理，他们曾设计与制造了一套在线测试电化学的精密装置，安装在南京化肥厂，并探明了耐腐蚀的原因。师昌绪多次在现场解决冶炼、热加工等问题，为铬锰氮钢的研制和生产打下了良好基础。师昌绪与李有柯等还开发了铬锰氮系耐热钢和无磁铬锰氮系高强度不锈钢，前者用于工业炉，后者用作潜艇桅杆。在师昌绪的指导下，张彦生、李依依等于1959年开始从事铁锰铝系奥氏体钢的研究，通过相图、相变规律、组织结构和各种性能的系统研究，表明这类钢在液氮温度下比镍铬不锈钢具有更好的韧性，是一种良好的低温材料；作为耐热材料，其性能不亚于铁铬镍基高温合金A286；作为无磁材料，其性能优于镍铬不锈钢。为了推广该钢种，对其冶炼、压力加工和焊接等方面建立了一套切实可行的工艺制度，从而推动了全国铁锰铝系奥氏体钢的研究与发展。
70年代初，师昌绪等与无锡动力厂合作，承担了中国第一代耐热腐蚀合金（IN 738）制作大型涡轮叶片的研制，并用于南京汽轮机组。
民航材料研究
师昌绪在从事航空用、民用高温合金研究开发的同时，在新型高合金钢方面也同样进行了大量研究开发工作。1958年，他与姚汉武开发的不含镍的奥氏体耐蚀钢OCr17 Mn14Mo2N，用在尿素工业设备上，具有优异的抗蚀性。经中小型尿素厂推广后，获得好评。为了研究该种钢在尿素生产过程中，在缺氧条件下仍具有优异耐蚀性机理，他们曾设计与制造了一套在线测试电化学的精密装置，安装在南京化肥厂，并探明了耐腐蚀的原因。师昌绪多次在现场解决冶炼、热加工等问题，为铬锰氮钢的研制和生产打下了良好基础。师昌绪与李有柯等还开发了铬锰氮系耐热钢和无磁铬锰氮系高强度不锈钢，前者用于工业炉，后者用作潜艇桅杆。在师昌绪的指导下，张彦生、李依依等于1959年开始从事铁锰铝系奥氏体钢的研究，通过相图、相变规律、组织结构和各种性能的系统研究，表明这类钢在液氮温度下比镍铬不锈钢具有更好的韧性，是一种良好的低温材料；作为耐热材料，其性能不亚于铁铬镍基高温合金A286；作为无磁材料，其性能优于镍铬不锈钢。为了推广该钢种，对其冶炼、压力加工和焊接等方面建立了一套切实可行的工艺制度，从而推动了全国铁锰铝系奥氏体钢的研究与发展。
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