比鐵還硬，比鋼還強(qiáng)

責(zé)編：唐丹妮

導(dǎo)語：不管是295噸重火箭的推進(jìn)器，還是自行車車架.3毫米厚度的管壁，飛機(jī)、潛艇和航天器等各領(lǐng)域都離不開馬氏體時效鋼。這種輕薄的超高強(qiáng)度合金鋼可以上天入地。

地面點(diǎn)火，火箭發(fā)射。2008年4月28日， PSLV－C9火箭從印度南部斯里哈里科塔發(fā)射場搭載10顆衛(wèi)星升空。25秒后，這枚高44.4米，直徑2.8米，重295噸的火箭飛升至3千米高空之上，主推進(jìn)器點(diǎn)火。這個世界上最大的推進(jìn)器攜帶了130噸端羥基聚丁二烯推進(jìn)劑，在持續(xù)釋放最高可達(dá)4762千牛的推進(jìn)力挑戰(zhàn)地心引力，也把此時的推進(jìn)器變成一座極端高溫高壓的煉獄。而被用來制造推進(jìn)器的超高強(qiáng)度夢幻鋼鐵——馬氏體時效鋼對高達(dá)6MPA壓力和超過3000 °C溫度環(huán)境的抵抗，則是決定這場超過1億美元的發(fā)射最終升入天堂或墮入地獄的關(guān)鍵。

易拉罐厚的坦克裝甲

爆發(fā)出超過普通汽車發(fā)動機(jī)800倍的動能才能帶動400噸重的物體，以120米/秒的速度擺脫地球重力。這樣的火箭推進(jìn)器同時也需要抵抗800倍的強(qiáng)度。然而通過增加材料厚度來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的話會極大增加火箭的重量。增重則需要更強(qiáng)的動力來彌補(bǔ)，反過來要需要更高的強(qiáng)度。因此，制造火箭推進(jìn)器的關(guān)鍵技術(shù)之一就是尋找出擁有超級強(qiáng)度、更加輕便的耐高溫材料。制造PSLV火箭的馬氏體時效鋼就是目前強(qiáng)度級別最高的金屬材料之一，在制備的很輕薄的情況下依然能承受很大的力量。

馬氏體是一種晶體結(jié)構(gòu)為體心四方結(jié)構(gòu)的黑色金屬材料的一種組織名稱。馬氏體時效鋼以超低碳馬氏體為基體，以彌散析出的金屬間化合物為強(qiáng)化相，因而可以在保持較高塑性和韌性的基礎(chǔ)上達(dá)到超高強(qiáng)度。在高強(qiáng)度時效處理前具有良好的成形性，時效處理幾乎不變形，時效處理后有高強(qiáng)韌性。而通過馬氏體相變和等溫時效析出金屬間化合物鎳和鈷則達(dá)到所謂的時效鋼強(qiáng)化，這樣在加強(qiáng)強(qiáng)度的同時也增加了抗拉強(qiáng)度。同時，為了獲得高韌性，材料學(xué)家們也設(shè)法努力降低其中的磷、硫、碳和氮含量。

親身體驗(yàn)過這種超級鋼的人則這么說：“感覺上，踩踏反應(yīng)很快！”做不到用它自制火箭飛上天，自行車發(fā)燒友王屹買了一段雷諾953鋼材給他的坐騎定做了一個車架。雷諾953是目前開發(fā)出的一種馬氏體時效鋼。管壁厚度僅僅0.3毫米的953看起來就像一個超細(xì)長的易拉罐，然而它卻要支持一個自行車手在復(fù)雜山路的反復(fù)折騰而不變形不斷裂，這得益于它本身高達(dá)2000MPA的強(qiáng)度，這相當(dāng)于普通坦克車鋼板的強(qiáng)度。

發(fā)燒級車手的需求和火箭設(shè)計(jì)師是一樣的，車架要既牢固又輕。鋼的密度保證了車架的強(qiáng)度和耐力而超級強(qiáng)度則最終達(dá)到輕量化車架的需求，使得看似輕薄的材質(zhì)與形似的易拉罐有天壤之別?！安粌H因?yàn)檐嚿磔p啟動快，而且不管是平地或爬坡，整體車架給人的感覺是輕快。這和一般鋼架，平地是王者，爬坡就顯現(xiàn)阻力有很大的不同?！蓖跻儆X得如果用于比賽，這臺953車架在材質(zhì)特性上會比碳纖或鋁都要來得好，唯一可以比擬的也許是6.4鈦材料，但是6.4在強(qiáng)度上也不如這支車架。

“而且它不會生銹?！弊约洪_設(shè)了一個工作室的王屹對各種自行車配件了如指掌，因此對953幾乎達(dá)到了全面的滿意。然而馬氏體時效鋼雖然也屬于不銹鋼，但是在某些條件下，如硫酸、長時期海水浸泡，還是會出現(xiàn)腐損斑以及腐蝕。如果長期接觸海水，這種鋼材表面就會出現(xiàn)銹點(diǎn)。雖然這樣的銹跡很容易除去，就好比去除不銹鋼餐具上的銹跡一樣，仍然給美國軍方造成很大困擾。事實(shí)上，馬氏體時效鋼同樣被大量使用于美國航母艦載機(jī)的制造，美國軍方嘗試過給鋼材表面鍍上不同的防腐蝕涂層，但至今沒有找出最佳解決方案。

負(fù)重2噸的黃蜂腿

97000噸重的“羅斯?！碧柡娇漳概炘谥共蛔〉鼗蝿?。巨浪般的蒸汽從彈射區(qū)涌出，一架架22328千克重F/A-18C“大黃蜂”艦載戰(zhàn)斗機(jī)如同“小貓縱身一躍”，從甲板上消失，猛地沖向波斯灣上空，出發(fā)執(zhí)行對地攻擊任務(wù)。不用多久，它們每一架都仍然將帶著超過1噸的重量返回、降落。發(fā)射和降落，這些戰(zhàn)斗機(jī)器在海上333米長甲板上的這種舞蹈每天平均75次，在危機(jī)時期如海灣戰(zhàn)爭中能上升到400次。

如此頻繁的發(fā)射和降落，對于“大黃蜂”的起落架、氣體禍輪發(fā)動機(jī)主軸和機(jī)輪螺栓之類的緊固件來說不啻是一項(xiàng)巨大的考驗(yàn)。這些部件在制造時不得不考慮使用具有高強(qiáng)、高韌的材料。同時，艦載機(jī)還必須盡可能的減輕重量，比如“羅斯?！碧柡娇漳概灱装搴团烍w總共搭載有90架以上飛機(jī)和直升機(jī)，其中包括36架F/A-18C“大黃蜂”艦載戰(zhàn)斗機(jī)，如果為了增強(qiáng)性能而添加了它們的重量，那將對飛機(jī)本身、母艦的載重和甲板的承受能力提出更高的設(shè)計(jì)要求。

而用馬氏體時效鋼制造的“大黃蜂”的起落架則反映出了美軍在提高艦載機(jī)強(qiáng)度同時達(dá)到輕型化的思路。這種馬氏體時效鋼名為AerMet100。是美國Carpenter技術(shù)公司開發(fā)的一種由碳、鉻和鉬強(qiáng)化的鐵－鎳－鈷合金。最初，是麥道公司促進(jìn)了AerMetl00鋼的研制，該公司曾要求Carpenter技術(shù)公司為減輕A－12飛行器起落架重量而研制一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)的300M鋼的材料。后來雖然A－12計(jì)劃被取消，但是所獲得的資料和數(shù)據(jù)卻促成了“大黃蜂”的誕生。

AerMet100無論在抗應(yīng)力腐蝕斷裂能力和疲勞強(qiáng)度上都具有很優(yōu)秀的表現(xiàn)，而其在具備高強(qiáng)度、硬度和抗疲勞性能的同時兼有很高的斷裂韌性和延展性，更是讓它成為綜合性能最好的金屬材料。在全世界范圍內(nèi)，不僅火箭發(fā)動機(jī)殼體，飛機(jī)起落架和飛機(jī)用高強(qiáng)度齒輪，馬氏體時效鋼出現(xiàn)在潛艇、航天器和兵器等多種重要領(lǐng)域：導(dǎo)彈殼體和陀螺儀表內(nèi)，水翼船的支柱，鈾濃縮用離心分離機(jī)的旋轉(zhuǎn)筒，高壓容器和傳感器……輕便且高強(qiáng)度的它也被美國軍方視其為制造先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的理想材料。當(dāng)AerMet100鋼用于制造航母艦載機(jī)時，它具有在嚴(yán)酷海洋大氣環(huán)境下服役所需要的苛刻的機(jī)械性能。

目前，美軍利用成本高昂的氰化鍍鎘工藝來保護(hù)它不受腐蝕、氫脆和應(yīng)力腐蝕開裂的影響。但是這種工藝不但污染環(huán)境而且危害健康，同時它不能減輕與應(yīng)力腐蝕開裂有關(guān)的安全問題。當(dāng)前，美軍對于這種材料的主要研究方向是防腐。

純凈的鋼鐵入太空

與此同時，對更高強(qiáng)度級別馬氏體時效鋼的研究與開發(fā)的主題落在提高強(qiáng)度如達(dá)到2800 MPA或更高時，如何保持其塑性和韌性。因?yàn)轳R氏體結(jié)構(gòu)的金屬材料的塑韌性對其含有雜質(zhì)元素的含量極為敏感，所以它的性能，特別是其塑性和斷裂韌性，對其含有的碳、硫、磷、氧、氮、氫等雜質(zhì)元素和夾雜物含量具有極高的敏感性。

最近，Carpenter公司在AerMet100的基礎(chǔ)上開發(fā)了AerMet310。與AerMet100相同，AerMet310也是含鎳鈷鋼，具有良好的韌性和塑性。它2172MPa的抗拉強(qiáng)度比前一代還高出200MPa。而它的強(qiáng)度與密度的比值甚至高于鼎鼎大名的Ti－6Al－4V 鈦合金。

純凈化冶煉，即降低馬氏體時效鋼中雜質(zhì)元素及夾雜物含量，可以進(jìn)一步提高這類材料的塑韌性。中科院金屬所在開發(fā)高溫合金的純凈化冶煉技術(shù)研究中，發(fā)明了CHA純凈化真空感應(yīng)冶煉工藝來降低雜質(zhì)元素。利用該工藝可使高溫合金中的雜質(zhì)元素硫、磷、氧、氮的含量分別降低至10 ppm以下。

目前，中國的材料學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出超過10種馬氏體時效鋼，它們主要被用于“嫦娥奔月”的太空探索行動和其它航空航天和軍事領(lǐng)域。影響了馬氏體時效鋼廣泛應(yīng)用的主要因素就是其高合金含量帶來的高價(jià)格。國際主流的馬氏體時效鋼所用的合金材料中的鈷價(jià)格昂貴，金川99.95電解鈷出廠價(jià)在27萬元/噸。而中國的鈷礦全國總保有儲量僅47萬噸，現(xiàn)在主要依靠從海外購買滿足國內(nèi)需求，僅2008年8月份單月的鈷礦進(jìn)口就高達(dá)1.825萬噸。因此馬氏體時效鋼的研究和開發(fā)在進(jìn)一步提高強(qiáng)度級別及其使用可靠性之外，開發(fā)經(jīng)濟(jì)型的無鈷馬氏體時效鋼是目前中國材料界的重要研究方向。

“光做一個車架子就要9000元人民幣的成本?！痹谧孕熊嚢l(fā)燒級玩家王屹看來這其實(shí)已經(jīng)比3300美金的進(jìn)口原廠貨便宜多了。但是這個價(jià)格在很多人眼里儼然是天價(jià)，或許這種合金要真正進(jìn)入普通人的日常生活，除了制造技術(shù)的發(fā)展，也取決于開發(fā)出更便宜的合金原材料。中科院金屬所目前正在驗(yàn)證稀土元素在馬氏體時效鋼中的作用機(jī)理。也許有望在未來用中國所富含的稀土元素制造出性能更好同時更便宜的馬氏體時效鋼。

在剛剛結(jié)束的2008北京奧運(yùn)會中，馬氏體時效鋼不動聲色地大顯身手。在擊劍場上，它的高強(qiáng)度和高韌性使運(yùn)動員不用擔(dān)心劍尖會因?yàn)檎蹟喽虃眢w，從而讓劍客們打得更加盡興?；蛟S在降低了材料成本之后，馬氏體時效鋼將會在更廣泛的生活領(lǐng)域打出聲色。