蔣雖合在實驗室真空熔煉爐前觀察實驗進程。

教師蔣雖合研究“超高強鋼” 該鋼材有望用于飛機起落架和火箭外殼

一篇論文助力鋼鐵大國變強國

2017年4月27日，一篇題為《基于低錯配度高密析出強化的超高強度鋼》的文章出現(xiàn)在英國知名學術期刊《自然》上，文章的通訊作者為北京科技大學呂昭平教授，第一作者為北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室青年教師蔣雖合。這篇文章向世界展示了我國鋼鐵領域研究的最新成果，打破了超高強鋼領域自上世紀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“鋼鐵強國”邁出了堅實有力的一步。

2016年11月3日0點09分，一封不尋常的郵件靜靜地傳進了北京科技大學新金屬材料國家重點實驗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，這就意味著，蔣雖合與他的課題組做了近六年的研究即將“結果”。5個月后，題為《基于低錯配度高密析出強化的超高強度鋼》文章在《自然》雜志發(fā)表，這篇代表我國鋼鐵領域研究的最新成果，向世界宣告我國正在從“鋼鐵大國”大步走向“鋼鐵強國”。

“大煉鋼鐵”排頭兵 土法煉鋼變廢鐵

時間倒退回到1952年，中央有關主管部門選定在北京西北郊建設“學院區(qū)”，統(tǒng)一集中建立了第一批8所高等學府，其中，原北洋大學、清華大學等6校的采礦和冶金工程系合并組建成立北京鋼鐵學院，這是北京科技大學的前身。

建國初期，國家當時的重心是重點發(fā)展重工業(yè)以期盡快實現(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動。這一年，全國人民有了一個共同的目標——年產(chǎn)鋼鐵1070萬噸。

作為鋼鐵教學研究工作的排頭兵，當時的北京鋼鐵學院自然也加入到了這一歷史洪流中。除了學校的冶金廠三班倒煉鋼外，學校的楊永宜教授還設計了一款煉鋼所用的土高爐，也叫做簡易高爐，被推廣復制到全國。從1958年5月起，他曾多次發(fā)表文章，介紹了土洋結合小高爐、中小型高爐、簡易土法熱風爐等高爐的爐型、生產(chǎn)經(jīng)驗。從1958年8月至當年年底，全國小高爐的數(shù)量從幾千座激增到上百萬座，為當時大煉鋼鐵運動添了一把火。

由于當時鋼鐵生產(chǎn)技術和工藝水平遠沒有達到應有的標準，大部分鋼鐵都是用土辦法煉出來的，當時所煉的300多萬噸土鋼、416萬噸土鐵根本不能用，全是廢鋼。這場鬧劇嚴重違背了經(jīng)濟規(guī)律與實際國情，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、財力的極大浪費。

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，它的強度高不高、硬度夠不夠、耐磨損度好不好，性能取決于構成這些合金的金屬元素及其排列分布，稍微排列不當，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。當年，鋼鐵工業(yè)從國外引進了700多項先進技術，利用外資60多億美元。特別是引進國外先進技術裝備新建了寶鋼、天津無縫鋼管公司兩座現(xiàn)代化大鋼廠，并對老鋼廠實施了一系列重點改造項目，使中國鋼鐵工業(yè)的技術結構發(fā)生了明顯變化，縮小了與世界先進水平的差距。1978年至2000年期間，社會主義市場經(jīng)濟體制逐步建立，鋼鐵行業(yè)改革、改組、改制、加強企業(yè)管理，進入平穩(wěn)發(fā)展期，為國家經(jīng)濟高速發(fā)展奠定了基礎。

進入新世紀以來，我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴大，產(chǎn)量連續(xù)十六年蟬聯(lián)世界第一。但是，大量鋼鐵項目上馬，中小型企業(yè)過多，多數(shù)企業(yè)重復建設，帶來的是鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)能過剩，互相競爭導致價格極低，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)品依賴進口的現(xiàn)狀，如今我國的鋼鐵領域再次進入優(yōu)化調整階段，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。

蔣雖合說，近些年來，國家經(jīng)濟高速發(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)品結構偏低端，部分高端裝備及核心部件用關鍵基礎鋼材嚴重依賴進口，關鍵技術受制于人，如高速鐵路用車軸及軸承鋼、高標準模具鋼、高端海洋裝備用鋼等關鍵基礎鋼材產(chǎn)品仍然滿足不了需求。這就促使他們在研發(fā)環(huán)節(jié)不斷進行自我創(chuàng)新。

六年磨一劍 鍛造實驗做了上百次

早在上世紀60年代，為了制造超高強度的鋼材，國際鎳公司發(fā)明了一種“馬氏體時效鋼”。他們將鐵、鎳、鋁、鉬、鈦、鈷等金屬元素按照一定比例加熱熔煉。當時研發(fā)的這種馬氏體時效鋼強度非常大，可以用來制造火箭發(fā)動機的外殼。

但是，這種鋼材的缺點不可避免，比如強度高但韌塑性不足，學界基于這種傳統(tǒng)馬氏體時效鋼的強化改進思路一直以來并沒有得到突破。

經(jīng)歷2007年高考，蔣雖合進入北京科技大學材料科學與工程學院，每天早8點至晚上10點，泡在實驗室寫報告、搞研究對他來說再平常不過。而他的攻堅重點，正是這種特殊的“馬氏體時效鋼”。

我國從20世紀60年代后期開始研制馬氏體時效鋼，但長期以來，國內(nèi)超高強鋼領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度，早在2011年，北科大的呂昭平課題組就開始了新型超高強鋼的研發(fā)工作。2013年，蔣雖合加入了呂昭平的實驗室，在課題組前期工作基礎上嘗試這種新思路的可能性。

“前期通過熱力學計算，大概算出幾種元素的比例，里面有鐵、鎳、鋁、鉬、鈮等多種元素，需要不斷地調整其中元素的比例，使之達到最好的狀態(tài)?！闭f起來容易做起來難，蔣雖合說，這種合金鍛造實驗做一個就得花一個月左右的時間。 于是，他沒日沒夜地泡在實驗室里倒騰各種“鐵塊”。

加元素、重組、優(yōu)化、微調、顯微觀察、拉伸測試，單調乏味的實驗，蔣雖合不斷地重復著這些工序。一次次失敗，一次次重來，有時他手里重疊著同時做好幾個實驗。歷經(jīng)上百次反復測試調整，通過不同元素的配比和制作工藝調整，在2015年初，課題組終于突破了超高強鋼強度和塑韌性的矛盾，研發(fā)出了這種新型超高強鋼并證明相關結構和性能調控機制。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起落架

這種新型超高強鋼到底有什么好？與傳統(tǒng)的馬氏體時效鋼相比，新型超高強鋼在原子尺度上有很多新特點，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)化帶來的直接結果就是，這種新型鋼材在保持其他性能的同時，其屈服強度達到2000MPa，這是什么概念？相當于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)的馬氏體時效鋼要更好。而目前鳥巢所用的鋼材的抗拉強度只有400MPa左右。

除此之外，新型超高強鋼通過采用鋁元素代替?zhèn)鹘y(tǒng)馬氏體時效鋼中昂貴的合金元素，可添加傳統(tǒng)馬氏體時效鋼所避免的碳元素。該鋼種還能在大幅降低其鎳、鉬含量的同時仍保持良好的強塑性，制作成本也能比當下常用的馬氏體時效鋼降低大約40%左右，初步實現(xiàn)了高端鋼鐵材料的制備工藝簡化和低成本的目標。

對于未來的應用，蔣雖合很樂觀。超高強鋼可以應用在很多對鋼材料要求極高的領域，比如火箭外殼、高速轉筒、高壓容器等，這些都與軍事和國防息息相關，是實現(xiàn)我國“中國制造2025”戰(zhàn)略的重要材料基礎。目前，這種新型超高強鋼已經(jīng)有了一定的應用方向，蔣雖合表示，已經(jīng)與國內(nèi)企業(yè)尋求合作，將針對飛機起落架的應用進行關鍵組織和性能的優(yōu)化與研究。

對話

我們有實力研發(fā)高端鋼鐵產(chǎn)品

對話人：北京科技大學副校長、教授呂昭平

北青報：當前我國鋼鐵行業(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，比較關注怎么做技術，怎么優(yōu)化生產(chǎn)線，或者是國外有什么新產(chǎn)品、新技術我們引進一下，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)品要依賴外國進口。另外，我國鋼鐵領域的基礎研究比較薄弱，因為這個行業(yè)比較傳統(tǒng)，不像3D打印、石墨烯等比較新興時髦的領域，相對來說研究投入、研究力量還遠遠不夠。

北青報：這種新型的超高強鋼的研發(fā)，對于我國鋼鐵領域的發(fā)展有哪些意義？

呂昭平：這個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。當然，并不是說這個文章發(fā)表了就能解決很多問題，但至少是一個很好的開端，也鼓勵了一大批搞鋼鐵研究的人，我們是有實力研發(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國，關鍵是我們愿不愿意去做這個事。今年年初，這個成果還被評為2017年度中國科學十大進展，著實令我們深受鼓舞，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注。

北青報：在成為鋼鐵強國的路上，我們還要做哪些努力？

呂昭平：其實坦白來說，中國在材料方面的研究與技術應用上與國際水平還是有一定差距。不能否認，我們有一批科研人員在鋼鐵研究領域兢兢業(yè)業(yè)。我們可以把別人的技術帶回國內(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，比如很多人認為想要高端產(chǎn)品去國外買就行，我們的超高強鋼實現(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”，踏實做研究。

本版文并攝/本報記者 蔣若靜

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