超高強度鋼

趙振業+李志

每當飛機起飛時，是哪個“大力士”支撐著這個“龐然大物”在跑道上顛簸，積蓄了足夠的能量后騰空而起？當飛機著陸時，又靠哪個“大力士”吸收震動能量，使飛機能從震顫中平穩落地？這個“大力士”就是起落架。它之所以這么厲害，是因為其身體是由一種叫作超高強度鋼的材料制成的。

什么是超高強度鋼

超高強度鋼的研究、應用只有70來年的時間，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度鋼的，只有抗拉強度大于1800MPa、屈服強度大于1400MPa，且兼有良好的塑性、韌性，才能進入超高強度鋼團隊。超高強度鋼是當今世界上使用強度最高的金屬結構材料，它是一個國家材料水平、冶金技術水平的標志，如今，只有美國和中國擁有超高強度鋼。超高強度鋼還是制造各種高端機械裝備的傳動齒輪、軸承、轉軸、對接螺栓等關鍵構件的不可替代的材料。

從20世紀50年代起，超高強度鋼經歷了鋼種、牌號設計到達極限性能的發展歷程，以適應構件輕、體積小、一般環境、潮濕環境和海洋環境服役。如今，超高強度鋼的絕對強度、比強度、比剛度均雄踞金屬結構材料之首。

“應用研究”賦予超高強度鋼極限服役性能

研究超高強度鋼的目的在于應用，用得好才是好鋼。但是，和其他高強度材料一樣，疲勞強度應力集中敏感成為其用做關鍵構件的障礙，正在經歷獲得極限服役性能的發展過程。例如，AerMet100鋼的彎曲疲勞強度為900MPa，但應力集中系數達到4時，彎曲疲勞強度驟降為273 MPa，成為一個不敷用材料。

近些年來，中國提出了“材料研制”和“材料應用研究”“兩個全過程”概念，并引領材料科學與工程進入了一個發展新時代。經歷“材料應用研究全過程”后，應力集中系數4的AerMet100鋼構件的彎曲疲勞強度達到900 MPa以上，任何應力集中系數下的疲勞強度均可達到和超過900 MPa，抑制了疲勞強度應力集中敏感，獲得了極限服役性能，關鍵構件收到了極限壽命、極限可靠性、極限減重的效果。超高強度鋼成為應用技術水平最高、最成熟的金屬結構材料。

超高強鋼高純凈化發展

超高強度鋼的強韌化發展與高純凈化冶金技術直接相關。中國發明的提純原材料、VIM-VAR雙真空冶煉和墩粗-拔長開坯技術，不僅將雜質元素硫的含量降低到0.001%，而且還改變了硫化物的形態，并使300M鋼冶金質量達到國際先進水平。隨后，在AerMet100鋼的發展中，硫、磷、硅、氧、氮、氫等元素都作為雜質元素加以控制，冶金質量進一步提升，韌性進一步提高。預計，超高強度不銹鋼的發展，一定會伴有高純凈化冶金技術的更大進步。

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

探索問鼎超高強度鋼之道

2011年，時任美國總統奧巴馬提出了一項材料基因組計劃。所謂材料基因設計是將“四要素”：成分與結構、制備加工、性質和服役行為合為一體，布陣成類似人類基因的網絡圖，運用基礎數據庫和信息技術建模、迭代計算的設計方法，是一種材料設計的虛擬和模擬設計方法。由于用計算代替了大量試驗，可加速研究進程，如同工藝模擬仿真一樣，是一個好方法。美國西北大學用基因組技術設計了一個超高強度不銹鋼S53。但是，材料基因設計既沒有改變“四要素”內涵，更未涉及“材料應用研究全過程”。中國問鼎超高強度鋼解決的首要問題是創新高純凈冶金技術、實踐“兩個全過程研究”和完善材料基因設計方法，以追求極限、縮短研究周期，提升經濟可承受性和可持續發展。