教师蒋虽合研究“超高强钢” 助力钢铁大国变强国

  2017年4月27日，一篇题为《基于低错配度高密析出强化的超高强度钢》的文章出现在英国知名学术期刊《自然》上，文章的通讯作者为北京科技大学吕昭平教授，第一作者为北京科技大学新金属材料国家重点实验室青年教师蒋虽合。这篇文章向世界展示了中国钢铁领域研究的最新成果，打破了超高强钢领域自上世纪六十年代以来固化的研究思路。这也代表着，我国从“钢铁大国”走向“钢铁强国”迈出了坚实有力的一步。

  2016年11月3日0点09分，一封不寻常的邮件静静地传进了北京科技大学新金属材料国家重点实验室青年教师蒋虽合的邮箱里。这封来自英国《自然》杂志编辑部的邮件让他顿时热血沸腾。蒋虽合睁大双眼紧盯着电脑屏幕，读了一遍又一遍，这封回信里是三位杂志审稿人的意见，均对他的研究成果给予了高度评价，这就从另一方面代表着，蒋虽合与他的课题组做了近六年的研究即将“结果”。5个月后，题为《基于低错配度高密析出强化的超高强度钢》文章在《自然》杂志发表，这篇代表中国钢铁领域研究的最新成果，向世界宣告我国正在从“钢铁大国”大步走向“钢铁强国”。

  时间倒退回到1952年，中央有关主管部门选定在北京西北郊建设“学院区”，统一集中建立了第一批8所高等学府，其中，原北洋大学、清华大学等6校的采矿和冶金工程系合并组建成立北京钢铁学院，这是北京科技大学的前身。

  建国初期，国家当时的重心是重点发展重工业以期尽快实现社会主义，钢铁工业即被作为重工业的代表。1958年，中央提出在主要工业产品产量方面“超英赶美”，全国上下迎来了轰轰烈烈的大炼钢铁运动。这一年，全国人民有了一个共同的目标——年产钢铁1070万吨。

  作为钢铁教学研究工作的排头兵，当时的北京钢铁学院自然也加入到了这一历史洪流中。除了学校的冶金厂三班倒炼钢外，学校的杨永宜教授还设计了一款炼钢所用的土高炉，也叫做简易高炉，被推广复制到全国。从1958年5月起，他曾多次发表文章，介绍了土洋结合小高炉、中小型高炉、简易土法热风炉等高炉的炉型、生产经验。从1958年8月至当年年底，全国小高炉的数量从几千座激增到上百万座，为当时大炼钢铁运动添了一把火。

  由于当时钢铁生产技术和工艺水平远未达到应有的标准，大部分钢铁都是用土办法炼出来的，当时所炼的300多万吨土钢、416万吨土铁根本不能用，全是废钢。这场闹剧严重违背了经济规律与实际国情，不仅破坏了正常的生产生活秩序，也破坏了生态平衡，造成了人力、物力、财力的极大浪费。

  蒋虽合说，别看钢材就硬邦邦的一块，它的强度高不高、硬度够不够、耐磨损度好不好，性能取决于构成这些合金的金属元素及其排列分布，稍微排列不当，就会产生各种缺陷。

  1978年改革开放后，中国向世界敞开了大门，为中国钢铁行业吹来了一股新风。当年，钢铁工业从国外引进了700多项先进的技术，利用外资60多亿美元。特别是引进国外先进技术装备新建了宝钢、天津无缝钢管公司两座现代化大钢厂，并对老钢厂实施了一系列重点改造项目，使中国钢铁工业的技术结构发生了明显变化，缩小了与世界领先水平的差距。1978年至2000年期间，社会主义市场经济体制逐步建立，钢铁行业改革、改组、改制、加强企业管理，进入平稳发展期，为国家经济快速地发展奠定了基础。

  进入新世纪以来，中国钢铁产业规模迅速扩大，产量连续十六年蝉联世界第一。但是，大量钢铁项目上马，中小型企业过多，多数企业重复建设，带来的是钢铁行业的产能过剩，互相竞争导致价格极低，甚至会出现卖一吨钢铁利润不及一斤白菜的尴尬局面。为打破低端产品泛滥、高端产品依赖进口的现状，如今我国的钢铁领域再次进入优化调整阶段，开始淘汰落后产能，钢企走向兼并重组，在产品上追求高端工艺和技术。

  蒋虽合说，近些年来，国家经济快速地发展，对高端钢材的需求慢慢的变大。但我国高端装备钢铁材料产品结构偏低端，部分高端装备及核心部件用关键基础钢材严重依赖进口，关键技术受制于人，如高速铁路用车轴及轴承钢、高标准模具钢、高端海洋装备用钢等关键基础钢材产品仍然满足不了需求。这就促使他们在研发环节不断进行自我创新。

  早在上世纪60年代，为制造超高强度的钢材，国际镍公司发明了一种“马氏体时效钢”。他们将铁、镍、铝、钼、钛、钴等金属元素按照特殊的比例加热熔炼。当时研发的这种马氏体时效钢强度非常大，可拿来制造火箭发动机的外壳。

  但是，这种钢材的缺点不可避免，比如强度高但韧塑性不足，学界基于这种传统马氏体时效钢的强化改进思路一直以来并没有正真获得突破。

  经历2007年高考，蒋虽合进入北京科技大学材料科学与工程学院，每天早8点至晚上10点，泡在实验室写报告、搞研究对他来说再平常不过。而他的攻坚重点，正是这种特殊的“马氏体时效钢”。

  我国从20世纪60年代后期开始研制马氏体时效钢，但长期以来，国内超高强钢领域的大部分研究一直未能得到最新的突破。为了改变研究思路，追求合金的高性能和更高强度，早在2011年，北科大的吕昭平课题组就开始了新型超高强钢的研发工作。2013年，蒋虽合加入了吕昭平的实验室，在课题组前期工作基础上尝试这种新思路的可能性。

  “前期通过热力学计算，大概算出几种元素的比例，里面有铁、镍、铝、钼、铌等多种元素，要一直地调整其中元素的比例，使之达到最好的状态。”说起来容易做起来难，蒋虽合说，这种合金锻造实验做一个就得花一个月左右的时间。 于是，他没日没夜地泡在实验室里倒腾各种“铁块”。

  加元素、重组、优化、微调、显微观察、拉伸测试，单调乏味的实验，蒋虽合不断地重复着这些工序。一次次失败，一次次重来，有时他手里重叠着同时做好几个实验。历经上百次反复测试调整，通过不同元素的配比和制作流程与工艺调整，在2015年初，课题组终于突破了超高强钢强度和塑韧性的矛盾，研发出了这种新型超高强钢并证明相关结构和性能调控机制。六年磨一剑，研究成果于2017年4月在《自然》杂志上发表。

  这种新型超高强钢到底有什么好？与传统的马氏体时效钢相比，新型超高强钢在原子尺度上有很多新特点，比如易脆性界面少，纳米颗粒尺寸均匀、密度大。而这些原子尺度性能的优化带来的直接结果就是，这种新型钢材在保持其他性能的同时，其屈服强度达到2000MPa，这是什么概念？相当于20000公斤的力作用于1平方厘米的面积上，这种钢材还能保持稳定不变形，韧性比传统的马氏体时效钢要更好。而目前鸟巢所用的钢材的抗拉强度只有400MPa左右。

  除此之外，新型超高强钢通过采用铝元素代替传统马氏体时效钢中昂贵的合金元素，可添加传统马氏体时效钢所避免的碳元素。该钢种还能在大幅度降低其镍、钼含量的同时仍保持良好的强塑性，制作成本也能比当下常用的马氏体时效钢降低大约40%左右，初步实现了高端钢铁材料的制备工艺简化和低成本的目标。

  对于未来的应用，蒋虽合很乐观。超高强钢能应用在很多对钢材料要求极高的领域，比如火箭外壳、高速转筒、高压容器等，这些都与军事和国防息息相关，是实现我国“中国制造2025”战略的重要材料基础。目前，这种新型超高强钢已经有了一定的应用方向，蒋虽合表示，已经与国内企业寻求合作，将针对飞机起落架的应用进行关键组织和性能的优化与研究。

  吕昭平：首先，中国钢铁产业比较工程化，比较关注怎么做技术，怎么优化生产线，或者是国外有什么新产品、新技术我们引进一下，一直在消化别人的东西。其次，有一句话说得非常形象，我国是钢铁大国，但不是钢铁强国。我国每年粗钢的产量非常高，去年超过8亿吨，但是高的附加价值的高端产品特别少，一些高端钢铁产品要依赖外国进口。另外，中国钢铁领域的基础研究比较薄弱，因为这个行业比较传统，不像3D打印、石墨烯等比较新兴时髦的领域，相对来说研究投入、研究力量还远远不够。

  吕昭平：这个研究成果能告诉别人，我们中国也能做高端的产品和高深的原始研究。当然，并不是说这个文章发表了就能解决很多问题，但至少是一个很好的开端，也鼓励了一大批搞钢铁研究的人，我们是有实力研发高端产品的，给钢铁研究者们带来了希望，我们不是不能成为钢铁强国，关键是我们愿不愿意去做这个事。今年年初，这个成果还被评为2017年度中国科学十大进展，着实令我们深受鼓舞，说明我们传统的钢铁材料研究受到了慢慢的变多人的重视和关注。

  吕昭平：其实坦白来说，中国在材料方面的研究与技术应用上与国际水平还是有一定差距。不能否认，我们有一批科研人员在钢铁研究领域兢兢业业。我们大家可以把别人的技术带回国内，但我们更要做自我创新。尽管现在有了新的研究成果，由于受制于国内的一些固化思维，比如很多人认为想要高端产品去国外买就行，我们的超高强钢实现产业化还有非常长的路要走。对于科研工作者来说，我们但求“不说漂亮话，只做漂亮事”，踏实做研究。