超高強(qiáng)度鋼

趙振業(yè)+李志

每當(dāng)飛機(jī)起飛時(shí)，是哪個(gè)“大力士”支撐著這個(gè)“龐然大物”在跑道上顛簸，積蓄了足夠的能量后騰空而起？當(dāng)飛機(jī)著陸時(shí)，又靠哪個(gè)“大力士”吸收震動(dòng)能量，使飛機(jī)能從震顫中平穩(wěn)落地？這個(gè)“大力士”就是起落架。它之所以這么厲害，是因?yàn)槠渖眢w是由一種叫作超高強(qiáng)度鋼的材料制成的。

什么是超高強(qiáng)度鋼

超高強(qiáng)度鋼的研究、應(yīng)用只有70來(lái)年的時(shí)間，是鋼家族中的年輕成員。但是，不是隨便什么鋼都可以稱為超高強(qiáng)度鋼的，只有抗拉強(qiáng)度大于1800MPa、屈服強(qiáng)度大于1400MPa，且兼有良好的塑性、韌性，才能進(jìn)入超高強(qiáng)度鋼團(tuán)隊(duì)。超高強(qiáng)度鋼是當(dāng)今世界上使用強(qiáng)度最高的金屬結(jié)構(gòu)材料，它是一個(gè)國(guó)家材料水平、冶金技術(shù)水平的標(biāo)志，如今，只有美國(guó)和中國(guó)擁有超高強(qiáng)度鋼。超高強(qiáng)度鋼還是制造各種高端機(jī)械裝備的傳動(dòng)齒輪、軸承、轉(zhuǎn)軸、對(duì)接螺栓等關(guān)鍵構(gòu)件的不可替代的材料。

從20世紀(jì)50年代起，超高強(qiáng)度鋼經(jīng)歷了鋼種、牌號(hào)設(shè)計(jì)到達(dá)極限性能的發(fā)展歷程，以適應(yīng)構(gòu)件輕、體積小、一般環(huán)境、潮濕環(huán)境和海洋環(huán)境服役。如今，超高強(qiáng)度鋼的絕對(duì)強(qiáng)度、比強(qiáng)度、比剛度均雄踞金屬結(jié)構(gòu)材料之首。

“應(yīng)用研究”賦予超高強(qiáng)度鋼極限服役性能

研究超高強(qiáng)度鋼的目的在于應(yīng)用，用得好才是好鋼。但是，和其他高強(qiáng)度材料一樣，疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感成為其用做關(guān)鍵構(gòu)件的障礙，正在經(jīng)歷獲得極限服役性能的發(fā)展過(guò)程。例如，AerMet100鋼的彎曲疲勞強(qiáng)度為900MPa，但應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到4時(shí)，彎曲疲勞強(qiáng)度驟降為273 MPa，成為一個(gè)不敷用材料。

近些年來(lái)，中國(guó)提出了“材料研制”和“材料應(yīng)用研究”“兩個(gè)全過(guò)程”概念，并引領(lǐng)材料科學(xué)與工程進(jìn)入了一個(gè)發(fā)展新時(shí)代。經(jīng)歷“材料應(yīng)用研究全過(guò)程”后，應(yīng)力集中系數(shù)4的AerMet100鋼構(gòu)件的彎曲疲勞強(qiáng)度達(dá)到900 MPa以上，任何應(yīng)力集中系數(shù)下的疲勞強(qiáng)度均可達(dá)到和超過(guò)900 MPa，抑制了疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感，獲得了極限服役性能，關(guān)鍵構(gòu)件收到了極限壽命、極限可靠性、極限減重的效果。超高強(qiáng)度鋼成為應(yīng)用技術(shù)水平最高、最成熟的金屬結(jié)構(gòu)材料。

超高強(qiáng)鋼高純凈化發(fā)展

超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)韌化發(fā)展與高純凈化冶金技術(shù)直接相關(guān)。中國(guó)發(fā)明的提純?cè)牧?、VIM-VAR雙真空冶煉和墩粗-拔長(zhǎng)開坯技術(shù)，不僅將雜質(zhì)元素硫的含量降低到0.001%，而且還改變了硫化物的形態(tài)，并使300M鋼冶金質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。隨后，在AerMet100鋼的發(fā)展中，硫、磷、硅、氧、氮、氫等元素都作為雜質(zhì)元素加以控制，冶金質(zhì)量進(jìn)一步提升，韌性進(jìn)一步提高。預(yù)計(jì)，超高強(qiáng)度不銹鋼的發(fā)展，一定會(huì)伴有高純凈化冶金技術(shù)的更大進(jìn)步。

隨著抗疲勞制造技術(shù)的發(fā)展，以及關(guān)鍵構(gòu)件極限壽命、極限可靠性和極限減重化，高純凈化冶金技術(shù)將聚焦于氧、氮、鋁等元素控制和消除氧化鋁、氮化鈦等尖角形夾雜物。它們的污染程度級(jí)別，已經(jīng)成為制約超高強(qiáng)度鋼水平和關(guān)鍵構(gòu)件疲勞壽命不可逾越的門檻。

探索問(wèn)鼎超高強(qiáng)度鋼之道

2011年，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬提出了一項(xiàng)材料基因組計(jì)劃。所謂材料基因設(shè)計(jì)是將“四要素”：成分與結(jié)構(gòu)、制備加工、性質(zhì)和服役行為合為一體，布陣成類似人類基因的網(wǎng)絡(luò)圖，運(yùn)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和信息技術(shù)建模、迭代計(jì)算的設(shè)計(jì)方法，是一種材料設(shè)計(jì)的虛擬和模擬設(shè)計(jì)方法。由于用計(jì)算代替了大量試驗(yàn)，可加速研究進(jìn)程，如同工藝模擬仿真一樣，是一個(gè)好方法。美國(guó)西北大學(xué)用基因組技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)超高強(qiáng)度不銹鋼S53。但是，材料基因設(shè)計(jì)既沒(méi)有改變“四要素”內(nèi)涵，更未涉及“材料應(yīng)用研究全過(guò)程”。中國(guó)問(wèn)鼎超高強(qiáng)度鋼解決的首要問(wèn)題是創(chuàng)新高純凈冶金技術(shù)、實(shí)踐“兩個(gè)全過(guò)程研究”和完善材料基因設(shè)計(jì)方法，以追求極限、縮短研究周期，提升經(jīng)濟(jì)可承受性和可持續(xù)發(fā)展。