简谈“新型超级钢”，潜艇需要高强韧、易焊接的钢板

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承蒙@平常 网友抬爱。我不是研究金属材料的，没法对这项研究给出多么深刻的见解，读了论文，只能基于材料学基础知识对“新型超级钢”谈一些泛泛的看法。

传统上，钢材的加工是如擀面一样地轧制，在八九百到一千来度施加压力让钢材变形（只在一个方向上施力，把钢板压扁），同时调控钢材内部的组织结构，优化钢材性能。目前已报道的其他超级钢则需要非常复杂的轧制和热处理过程。

这项研究是用较低温度（650-800℃）的锻造代替传统轧制，且锻造在两个相互垂直的方向上进行，就好比在两个方向上进行更加充分的“揉面”，使得钢材内部的晶粒变成细长的棱柱且定向排列（钢铁是由大量晶粒集合而成的多晶体）。

随后进行冷却，包括在液氮（-196℃）里深度冷却。在高温下，钢的结构是“奥氏体”，快速冷却后转变为“马氏体”。马氏体的强度很高，这就是“淬火”使钢材变强变硬的原理。这项研究中，由于充分的锻造和冷却，钢材中大部分（~80%）奥氏体都转变成马氏体，而且每一个马氏体晶粒的尺寸细小、排列有序，赋予钢材高强度和一定的塑性。

但是“过强则易折,过刚则易断”，强度很高的钢材往往脆性也大，容易开裂，缺乏实用价值。对此采取的方法是在钢材中保留一部分奥氏体。在受到外力时，残余奥氏体转变成马氏体，消耗掉大量能量，阻止了裂纹的传播（裂纹传播需要能量），避免钢材开裂，也就提高了钢材的韧性和塑性。冷却过后的300℃热处理就是为了稳定残余奥氏体。这种机制并不是这项研究新提出的，但是他们通过巧妙的钢材成分设计和加工工艺调控，显著提升了超强钢的韧性。

横轴是钢材强度；纵轴是拉伸测试中的能够发生均匀伸长的延伸率（再拉长就发生不均匀变形直至断裂），代表塑性指标。对于超级强韧的钢的追求就是要使这两个值越大越好。红色圆点是这项研究开发的钢材。

术业有专攻，从金属材料专业的角度，我没法说更多了。从应用前景来看，我就再简单说几句吧：

他们所采用的加工工艺基本与现有钢铁生产工艺相容（很多高性能钢材是需要锻造的），除了液氮冷却这一步现在是没有的。但是液氮不贵，钢铁厂里也不缺液氮（液化、分离空气制纯氧的副产品）。

钢材添加的合金元素是7.4%锰，0.34%碳C，1%硅，0.2% 钒，都是钢铁的常用合金元素，价格也不贵。

具体应用方面的问题：

1. 按照论文描述的方法，既然是在两个垂直方向上锻造，那么最后加工出来的钢材形状是棒状的，做晨大提到的飞机起落架或许合适，但是造潜艇耐压壳肯定不行，潜艇需要钢板，但是论文指出轧制钢板（一个方向压扁）的性能是远不如双向锻造钢材的。上述强度-塑性图里比较的各类高强钢里，除了美国HSLA舰船用钢板（造航母、潜艇的重要钢材），其他大多数都是针对汽车行业开发的高强钢（汽车承力构件是用薄钢板冲压弯板得到的）。如果论文中这种新的钢材强韧化思路能够被借鉴到钢板轧制过程中，开发类似的高强韧性钢板，那应用范围能够大大拓展。

2. 这种钢材的锰含量比较高，焊接性可能略差一些；而且其性能是依靠精细的热处理得到的，要在300℃对钢材的组织和性能进行稳定化处理，所以这种钢对高温可能比较敏感，不知道焊接的高温过程对性能有多大损伤。论文没有对钢材的可焊性进行分析。

总之呢，实验室基础研究获得突破令人欣喜，希望能够跨过从实验室到工厂的鸿沟，造福于实际生产。