蔣雖合在實(shí)驗(yàn)室真空熔煉爐前觀察實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。
教師蔣雖合研究“超高強(qiáng)鋼” 該鋼材有望用于飛機(jī)起落架和火箭外殼
一篇論文助力鋼鐵大國變強(qiáng)國
2017年4月27日，一篇題為《基于低錯(cuò)配度高密析出強(qiáng)化的超高強(qiáng)度鋼》的文章出現(xiàn)在英國知名學(xué)術(shù)期刊《自然》上，文章的通訊作者為北京科技大學(xué)呂昭平教授，第一作者為北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青年教師蔣雖合。這篇文章向世界展示了我國鋼鐵領(lǐng)域研究的最新成果，打破了超高強(qiáng)鋼領(lǐng)域自上世紀(jì)六十年代以來固化的研究思路。這也意味著，我國從“鋼鐵大國”走向“鋼鐵強(qiáng)國”邁出了堅(jiān)實(shí)有力的一步。
2016年11月3日0點(diǎn)09分，一封不尋常的郵件靜靜地傳進(jìn)了北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青年教師蔣雖合的郵箱里。這封來自英國《自然》雜志編輯部的郵件讓他頓時(shí)熱血沸騰。蔣雖合睜大雙眼緊盯著電腦屏幕，讀了一遍又一遍，這封回信里是三位雜志審稿人的意見，均對他的研究成果給予了高度評價(jià)，這就意味著，蔣雖合與他的課題組做了近六年的研究即將“結(jié)果”。5個(gè)月后，題為《基于低錯(cuò)配度高密析出強(qiáng)化的超高強(qiáng)度鋼》文章在《自然》雜志發(fā)表，這篇代表我國鋼鐵領(lǐng)域研究的最新成果，向世界宣告我國正在從“鋼鐵大國”大步走向“鋼鐵強(qiáng)國”。
“大煉鋼鐵”排頭兵 土法煉鋼變廢鐵
時(shí)間倒退回到1952年，中央有關(guān)主管部門選定在北京西北郊建設(shè)“學(xué)院區(qū)”，統(tǒng)一集中建立了第一批8所高等學(xué)府，其中，原北洋大學(xué)、清華大學(xué)等6校的采礦和冶金工程系合并組建成立北京鋼鐵學(xué)院，這是北京科技大學(xué)的前身。
建國初期，國家當(dāng)時(shí)的重心是重點(diǎn)發(fā)展重工業(yè)以期盡快實(shí)現(xiàn)社會主義，鋼鐵工業(yè)即被作為重工業(yè)的代表。1958年，中央提出在主要工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量方面“超英趕美”，全國上下迎來了轟轟烈烈的大煉鋼鐵運(yùn)動。這一年，全國人民有了一個(gè)共同的目標(biāo)——年產(chǎn)鋼鐵1070萬噸。
作為鋼鐵教學(xué)研究工作的排頭兵，當(dāng)時(shí)的北京鋼鐵學(xué)院自然也加入到了這一歷史洪流中。除了學(xué)校的冶金廠三班倒煉鋼外，學(xué)校的楊永宜教授還設(shè)計(jì)了一款煉鋼所用的土高爐，也叫做簡易高爐，被推廣復(fù)制到全國。從1958年5月起，他曾多次發(fā)表文章，介紹了土洋結(jié)合小高爐、中小型高爐、簡易土法熱風(fēng)爐等高爐的爐型、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。從1958年8月至當(dāng)年年底，全國小高爐的數(shù)量從幾千座激增到上百萬座，為當(dāng)時(shí)大煉鋼鐵運(yùn)動添了一把火。
由于當(dāng)時(shí)鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)和工藝水平遠(yuǎn)沒有達(dá)到應(yīng)有的標(biāo)準(zhǔn)，大部分鋼鐵都是用土辦法煉出來的，當(dāng)時(shí)所煉的300多萬噸土鋼、416萬噸土鐵根本不能用，全是廢鋼。這場鬧劇嚴(yán)重違背了經(jīng)濟(jì)規(guī)律與實(shí)際國情，不僅破壞了正常的生產(chǎn)生活秩序，也破壞了生態(tài)平衡，造成了人力、物力、財(cái)力的極大浪費(fèi)。
鋼鐵大國產(chǎn)能過剩卻缺乏高端產(chǎn)品
蔣雖合說，別看鋼材就硬邦邦的一塊，它的強(qiáng)度高不高、硬度夠不夠、耐磨損度好不好，性能取決于構(gòu)成這些合金的金屬元素及其排列分布，稍微排列不當(dāng)，就會產(chǎn)生各種缺陷。
1978年改革開放后，中國向世界敞開了大門，為我國鋼鐵行業(yè)吹來了一股新風(fēng)。當(dāng)年，鋼鐵工業(yè)從國外引進(jìn)了700多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，利用外資60多億美元。特別是引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)裝備新建了寶鋼、天津無縫鋼管公司兩座現(xiàn)代化大鋼廠，并對老鋼廠實(shí)施了一系列重點(diǎn)改造項(xiàng)目，使中國鋼鐵工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。1978年至2000年期間，社會主義市場經(jīng)濟(jì)體制逐步建立，鋼鐵行業(yè)改革、改組、改制、加強(qiáng)企業(yè)管理，進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展期，為國家經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
進(jìn)入新世紀(jì)以來，我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)大，產(chǎn)量連續(xù)十六年蟬聯(lián)世界第一。但是，大量鋼鐵項(xiàng)目上馬，中小型企業(yè)過多，多數(shù)企業(yè)重復(fù)建設(shè)，帶來的是鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)能過剩，互相競爭導(dǎo)致價(jià)格極低，甚至出現(xiàn)賣一噸鋼鐵利潤不及一斤白菜的尷尬局面。為打破低端產(chǎn)品泛濫、高端產(chǎn)品依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，如今我國的鋼鐵領(lǐng)域再次進(jìn)入優(yōu)化調(diào)整階段，開始淘汰落后產(chǎn)能，鋼企走向兼并重組，在產(chǎn)品上追求高端工藝和技術(shù)。
蔣雖合說，近些年來，國家經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，對高端鋼材的需求越來越大。但我國高端裝備鋼鐵材料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)偏低端，部分高端裝備及核心部件用關(guān)鍵基礎(chǔ)鋼材嚴(yán)重依賴進(jìn)口，關(guān)鍵技術(shù)受制于人，如高速鐵路用車軸及軸承鋼、高標(biāo)準(zhǔn)模具鋼、高端海洋裝備用鋼等關(guān)鍵基礎(chǔ)鋼材產(chǎn)品仍然滿足不了需求。這就促使他們在研發(fā)環(huán)節(jié)不斷進(jìn)行自我創(chuàng)新。
六年磨一劍 鍛造實(shí)驗(yàn)做了上百次
早在上世紀(jì)60年代，為了制造超高強(qiáng)度的鋼材，國際鎳公司發(fā)明了一種“馬氏體時(shí)效鋼”。他們將鐵、鎳、鋁、鉬、鈦、鈷等金屬元素按照一定比例加熱熔煉。當(dāng)時(shí)研發(fā)的這種馬氏體時(shí)效鋼強(qiáng)度非常大，可以用來制造火箭發(fā)動機(jī)的外殼。
但是，這種鋼材的缺點(diǎn)不可避免，比如強(qiáng)度高但韌塑性不足，學(xué)界基于這種傳統(tǒng)馬氏體時(shí)效鋼的強(qiáng)化改進(jìn)思路一直以來并沒有得到突破。
經(jīng)歷2007年高考，蔣雖合進(jìn)入北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，每天早8點(diǎn)至晚上10點(diǎn)，泡在實(shí)驗(yàn)室寫報(bào)告、搞研究對他來說再平常不過。而他的攻堅(jiān)重點(diǎn)，正是這種特殊的“馬氏體時(shí)效鋼”。
我國從20世紀(jì)60年代后期開始研制馬氏體時(shí)效鋼，但長期以來，國內(nèi)超高強(qiáng)鋼領(lǐng)域的大部分研究一直未能得到最新的突破。為了改變研究思路，追求合金的高性能和更高強(qiáng)度，早在2011年，北科大的呂昭平課題組就開始了新型超高強(qiáng)鋼的研發(fā)工作。2013年，蔣雖合加入了呂昭平的實(shí)驗(yàn)室，在課題組前期工作基礎(chǔ)上嘗試這種新思路的可能性。
“前期通過熱力學(xué)計(jì)算，大概算出幾種元素的比例，里面有鐵、鎳、鋁、鉬、鈮等多種元素，需要不斷地調(diào)整其中元素的比例，使之達(dá)到最好的狀態(tài)。”說起來容易做起來難，蔣雖合說，這種合金鍛造實(shí)驗(yàn)做一個(gè)就得花一個(gè)月左右的時(shí)間。 于是，他沒日沒夜地泡在實(shí)驗(yàn)室里倒騰各種“鐵塊”。
加元素、重組、優(yōu)化、微調(diào)、顯微觀察、拉伸測試，單調(diào)乏味的實(shí)驗(yàn)，蔣雖合不斷地重復(fù)著這些工序。一次次失敗，一次次重來，有時(shí)他手里重疊著同時(shí)做好幾個(gè)實(shí)驗(yàn)。歷經(jīng)上百次反復(fù)測試調(diào)整，通過不同元素的配比和制作工藝調(diào)整，在2015年初，課題組終于突破了超高強(qiáng)鋼強(qiáng)度和塑韌性的矛盾，研發(fā)出了這種新型超高強(qiáng)鋼并證明相關(guān)結(jié)構(gòu)和性能調(diào)控機(jī)制。六年磨一劍，研究成果于2017年4月在《自然》雜志上發(fā)表。
新型鋼材有望引用于飛機(jī)起落架
這種新型超高強(qiáng)鋼到底有什么好?與傳統(tǒng)的馬氏體時(shí)效鋼相比，新型超高強(qiáng)鋼在原子尺度上有很多新特點(diǎn)，比如易脆性界面少，納米顆粒尺寸均勻、密度大。而這些原子尺度性能的優(yōu)化帶來的直接結(jié)果就是，這種新型鋼材在保持其他性能的同時(shí)，其屈服強(qiáng)度達(dá)到2000MPa，這是什么概念?相當(dāng)于20000公斤的力作用于1平方厘米的面積上，這種鋼材還能保持穩(wěn)定不變形，韌性比傳統(tǒng)的馬氏體時(shí)效鋼要更好。而目前鳥巢所用的鋼材的抗拉強(qiáng)度只有400MPa左右。
除此之外，新型超高強(qiáng)鋼通過采用鋁元素代替?zhèn)鹘y(tǒng)馬氏體時(shí)效鋼中昂貴的合金元素，可添加傳統(tǒng)馬氏體時(shí)效鋼所避免的碳元素。該鋼種還能在大幅降低其鎳、鉬含量的同時(shí)仍保持良好的強(qiáng)塑性，制作成本也能比當(dāng)下常用的馬氏體時(shí)效鋼降低大約40%左右，初步實(shí)現(xiàn)了高端鋼鐵材料的制備工藝簡化和低成本的目標(biāo)。
對于未來的應(yīng)用，蔣雖合很樂觀。超高強(qiáng)鋼可以應(yīng)用在很多對鋼材料要求極高的領(lǐng)域，比如火箭外殼、高速轉(zhuǎn)筒、高壓容器等，這些都與軍事和國防息息相關(guān)，是實(shí)現(xiàn)我國“中國制造2025”戰(zhàn)略的重要材料基礎(chǔ)。目前，這種新型超高強(qiáng)鋼已經(jīng)有了一定的應(yīng)用方向，蔣雖合表示，已經(jīng)與國內(nèi)企業(yè)尋求合作，將針對飛機(jī)起落架的應(yīng)用進(jìn)行關(guān)鍵組織和性能的優(yōu)化與研究。
對話
我們有實(shí)力研發(fā)高端鋼鐵產(chǎn)品
對話人：北京科技大學(xué)副校長、教授呂昭平
北青報(bào)：當(dāng)前我國鋼鐵行業(yè)的研究與發(fā)展存在哪些問題?
呂昭平：首先，我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)比較工程化，比較關(guān)注怎么做技術(shù)，怎么優(yōu)化生產(chǎn)線，或者是國外有什么新產(chǎn)品、新技術(shù)我們引進(jìn)一下，一直在消化別人的東西。其次，有一句話說得非常形象，我國是鋼鐵大國，但不是鋼鐵強(qiáng)國。我國每年粗鋼的產(chǎn)量非常高，去年超過8億噸，但是高附加值的高端產(chǎn)品特別少，一些高端鋼鐵產(chǎn)品要依賴外國進(jìn)口。另外，我國鋼鐵領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究比較薄弱，因?yàn)檫@個(gè)行業(yè)比較傳統(tǒng)，不像3D打印、石墨烯等比較新興時(shí)髦的領(lǐng)域，相對來說研究投入、研究力量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
北青報(bào)：這種新型的超高強(qiáng)鋼的研發(fā)，對于我國鋼鐵領(lǐng)域的發(fā)展有哪些意義?
呂昭平：這個(gè)研究成果能告訴別人，我們中國也能做高端的產(chǎn)品和高深的原始研究。當(dāng)然，并不是說這個(gè)文章發(fā)表了就能解決很多問題，但至少是一個(gè)很好的開端，也鼓勵了一大批搞鋼鐵研究的人，我們是有實(shí)力研發(fā)高端產(chǎn)品的，給鋼鐵研究者們帶來了希望，我們不是不能成為鋼鐵強(qiáng)國，關(guān)鍵是我們愿不愿意去做這個(gè)事。今年年初，這個(gè)成果還被評為2017年度中國科學(xué)十大進(jìn)展，著實(shí)令我們深受鼓舞，說明我們傳統(tǒng)的鋼鐵材料研究受到了越來越多人的重視和關(guān)注。
北青報(bào)：在成為鋼鐵強(qiáng)國的路上，我們還要做哪些努力?
呂昭平：其實(shí)坦白來說，中國在材料方面的研究與技術(shù)應(yīng)用上與國際水平還是有一定差距。不能否認(rèn)，我們有一批科研人員在鋼鐵研究領(lǐng)域兢兢業(yè)業(yè)。我們可以把別人的技術(shù)帶回國內(nèi)，但我們更要做自我創(chuàng)新。盡管現(xiàn)在有了新的研究成果，由于受制于國內(nèi)的一些固化思維，比如很多人認(rèn)為想要高端產(chǎn)品去國外買就行，我們的超高強(qiáng)鋼實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走。對于科研工作者來說，我們但求“不說漂亮話，只做漂亮事”，踏實(shí)做研究。
