又是一个遥遥领先！国产超级钢有多强？1平方厘米能承重3万吨？
- 百科
- 2023-12-18 10:20:31
你知道悬索桥吗？
悬索桥的桥面整体由一根根钢索，与桥墩连接在一起。钢索要承受的，是整个桥面的重力。
北盘江大桥
要承受这么大的重力，钢索的强度和韧性必然要达到极致。一般钢铁是肯定不行的，就需要用到“超级钢”。
我们生活在一个钢铁丛林时代，钢铁就是当代文明的筋骨架构。超级钢不光被用在造桥上，从汽车到航空，再到更广泛的军工领域，都有广泛的“就业空间”。
也因此，如果说一个世纪前人类只需炼出钢，那现在各国的目标都是研发炼“超级钢”的技术。
2017年的时候，由京港台三地的科研人员牵头，研发形成了一种新的钢铁材料。当年这一成果发表在了权威的《科学》期刊上。
从钢铁自身的角度看，以往的主流观点认为，一种钢材要追求硬度，那么它就比较“脆”，轻易就能折断，即它的韧性和延展性不够。
同样，要是反过来追求钢材的柔韧性，那么它的硬度就有达不到要求。想做到既硬又软，又能无限拉扯延展，似乎很矛盾，就像鱼和熊掌不能兼得。
不过按照此前的研究，科研人员攻克了这一问题，钢材的硬度、韧性、延展性三种看似不能兼得的性能，全都集中在了一起。
比如文章开头提到的钢索，现在这类常用的钢材屈曲强度高，自身的承重能力很高，但是材料本身的韧性却一直比较低。
所以悬索桥的钢索在使用一段时间后容易断裂，需要经常更换才行。
新的研究，在材料中利用了高密度的可动位错，进而让钢材既拥有了强度，也拥有了韧性。
简单理解起来就是，以往钢材的断裂，内部出现的裂纹是同一个方向的。
而新的研究成果是，科研人员让钢材料内部断裂的裂纹，变成了纵横交错的网状结构，这样一来裂纹本身又有了韧性，确保了钢材的安全。
超级钢在实验中
按照新方法制造出来的钢材，哪怕面积只有1平方厘米大小，厚度只有1.5毫米，面对重如大象3吨多的压力时，钢材本身也不会有任何变形或是碎裂。
这种超级钢的屈曲强度，达到了惊人的2200兆帕。
材料本身的性能大大提升，而制造该类钢材的所用原料其实十分普通。所需原料钒、铝、碳、锰，其质量百分比分别是0.7%、2%、0.47%、10%。
最关键的，是炼钢工艺的改变。按照科研人员的说法，要制造这类超级钢，常规的炼钢厂可以做到，不过需要加入温轧工序，同时现有的冷轧和热轧设备都需要改造。
因此在目前，超级钢的量产还没有实现。在科研人员看来，下一步最先应用的领域，应该是国防军工体系。
新材料能够提升我国整体的钢铁质量，而国内研究新材料的，也不止上述这一个团队。多年以来，国内研究钢铁，研究如何炼好钢的，还有另一个炼钢人——王国栋。
王国栋在进行控制冷却试验
从上世纪60年代到90年代，王国栋见证了我国的钢铁产量，是如何一步步跨越亿吨大关的。
我国的钢产量虽然早已提升，每年炼钢的数量，甚至超过了几个大国的总数量，然而在以往的一段时间里，我国钢铁的质量却不高。
不管是造桥造车，高层建筑的钢铁，以及建造航母舰船等高端钢材，我们既造不出，更没有这样的炼钢技术。
为此在上世纪90年代，由“973”项目的支持，王国栋开始带领自己的团队，研究如何炼好钢。他所进行的，是要实现钢材轧制过程中的晶粒细化。
在王国栋他的团队研究之前，日本和其他国家，也已经开展在这一领域的研究和实验了。
对比之下，日本的钢铁制造因为比我们起步早，所以无论是最早的量产，还是后来淘汰过剩产能，以及开启高端钢材的研发，每一步都走在了我们前面。
也因此王国栋很清楚，要想提升我们自身的钢铁锻造工艺，不能只是跟在别人的后面亦步亦趋。
日本等其他国家既然已经在该领域有所研究，我们自身的研究和定位，既要有所创新，同时又要跟自身的工业条件相吻合和相适应。
确立了目标方向后，王国栋便深入到了炼钢的第一线——宝钢。接下来，相关的理论和研讨是在实验室进行的，实验和分析则是在钢厂里推动的。
几个月的时间，王国栋几乎没有离开过宝钢，在第二年的9月份，国内的第一份超级钢样品炼出来了。这不但是国内的第一，也是全世界第一次在流水线上轧制超级钢的成功实验。
从那之后，这一新的炼钢工艺，便被迅速推广到了国内的各大钢铁企业。随着新工艺的推广传播，超级钢也实现了量产，此后，数百万吨的超级钢，开始运用到了汽车制造领域。
由于这份突出贡献，王国栋在2005年获得了国家科技进步一等奖，他也有了超级钢之父的称号。
而作为大学教授、工程院院士，王国栋并不喜欢这个带有溢美之词的称呼，他说自己最想看到的就是钢花飞溅。如何炼好钢，是自己毕生的追究。
有一年王国栋出国，原本在考察中是想看看对方钢材的轧制流程，钢厂也同意了。而来到现场后他才看到，所有的设备都在“空转”。
这让王国栋意识到，核心的工艺和技术从来都看不来，必须得自己研发和掌握才行。
2004年的时候，得知欧美和日本的轧钢领域，又拥有了一项超快冷却技术，王国栋和他的团队随即又展开了新的攻关。
为此王国栋的团队分成了两路，一部分主要攻克钢板淬火的原理，并研制控制冷却系统的硬件，另一部分人马则进行热轧组织性能的测试。
整个研发过程，由于需要稳定的温度控制，才能检验钢材的组织和性能，所以相关的研究在实验室的条件下根本无法推动，必须得到钢厂的生产线上才能进行。
设备随后倒是研制出来了，但实验进展并不顺利。钢铁企业不认为我们自己的技术超过了国外，担心王国栋的实验不过关。
王国栋随后向参与的相关企业承诺，所有的实验费用他们承担，给企业生产线加装的超快冷却设备也由研究人员安装负责。
如果轧制出来的钢材不过关的话，这套设备也能当作常规的控冷设备使用。
在实验当天，生产线上的技术和工人都是满脸的狐疑。等到一切就绪，设备运转轧制，所制钢板不但通过了各项测试，而且性能比原来的工艺又高出了一大截。
有了第一次实验的成功，整套设备也开始被企业接纳。后来的生产线不但延长了，而且其他的企业也开始引进新的工艺和设备了。
王国栋是东北大学的教授，在他实验室的库房里，很多设备的介绍文字中，最让人振奋的莫过于“自研”两个字。
他自己也很骄傲，因为这些设备不但拥有自主知识产权，而且目前也都在国内的钢铁市场铺开使用。
在王国栋看来，未来国内钢铁材料的研发，要进行四个目标的攻关，这些目标从制造工艺到制造设备，再到钢材产品的供给，都需要一一去突破。
首先是制造工艺的低碳化。一个世纪以来，钢铁行业始终是高污染和高耗能的象征。在钢材需求量大的时代，这些特点还不算什么。如今钢铁产量已经趋于饱和，未来的钢铁工艺，就是减少污染碳排放。
减少污染的另一方面也能节省能源，以低能耗炼出更高品质的钢材，这才是未来的发展方向。在王国栋看来，目前国内这一方面还有很大的提升空间。
其次是生产设备的智能化。钢铁制造属于流程工业，整个控制系统涉及到多个学科和方面，所以十分的复杂。
智能化的方向，需要多学科多领域的技术协同进行。王国栋位于东北的实验室，目前已经展开这一领域的研究。
在他看来，下一步除了技术和专家之外，企业的参与和配合也很关键。只有多方协同，才能在生产设备的智能化领域开创新天地。
再次是注重产品质量而非数量。目前，我国每年的钢铁产量高居全球第一，下一步要做到产品整体的转型升级，不但要有数量上的第一，更要有质量上的第一。这就需要在材料领域，做进一步的攻克和研发。
最后就是供给的优化。钢铁企业处于第一线，研究人员所有的新成果，都是为未来的产品量产服务的。所以在技术和生产的供给关系上，王国栋认为这一切离不开企业的合作。
简单理解就是，科研人员的研究不能钻象牙塔，所有的研究从一开始就要为接下来的量产着想。如果做不到这样，新研发成果再高，等于也没有任何用处。
王国栋的这一观点无疑是正确的，就像上文提到的那一项超级钢成果，现在究竟有没有转化成实际的生产能力还不得而知。
除了自己一辈子和钢铁打交道，王国栋多年来也培养了大量的学生和钢铁专业人才。
在他看来，钢铁永远不会成为人们口中的夕阳产业。因为社会在不断发展，钢铁领域也在创新和升级。
技术的最终目标是运用于社会的，未来中国的钢铁产业发展，王国栋相信能做到更好。
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