比铁还硬，比钢还强
时间：2020-12-08 16:06:56 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
责编：唐丹妮
导语：不管是295吨重火箭的推进器，还是自行车车架.3毫米厚度的管壁，飞机、潜艇和航天器等各领域都离不开马氏体时效钢。这种轻薄的超高强度合金钢可以上天入地。
地面点火，火箭发射。2008年4月28日， PSLV－C9火箭从印度南部斯里哈里科塔发射场搭载10颗卫星升空。25秒后，这枚高44.4米，直径2.8米，重295吨的火箭飞升至3千米高空之上，主推进器点火。这个世界上最大的推进器携带了130吨端羟基聚丁二烯推进剂，在持续释放最高可达4762千牛的推进力挑战地心引力，也把此时的推进器变成一座极端高温高压的炼狱。而被用来制造推进器的超高强度梦幻钢铁——马氏体时效钢对高达6MPA压力和超过3000 °C温度环境的抵抗，则是决定这场超过1亿美元的发射最终升入天堂或堕入地狱的关键。
易拉罐厚的坦克装甲
爆发出超过普通汽车发动机800倍的动能才能带动400吨重的物体，以120米/秒的速度摆脱地球重力。这样的火箭推进器同时也需要抵抗800倍的强度。然而通过增加材料厚度来实现强度的话会极大增加火箭的重量。增重则需要更强的动力来弥补，反过来要需要更高的强度。因此，制造火箭推进器的关键技术之一就是寻找出拥有超级强度、更加轻便的耐高温材料。制造PSLV火箭的马氏体时效钢就是目前强度级别最高的金属材料之一，在制备的很轻薄的情况下依然能承受很大的力量。
马氏体是一种晶体结构为体心四方结构的黑色金属材料的一种组织名称。马氏体时效钢以超低碳马氏体为基体，以弥散析出的金属间化合物为强化相，因而可以在保持较高塑性和韧性的基础上达到超高强度。在高强度时效处理前具有良好的成形性，时效处理几乎不变形，时效处理后有高强韧性。而通过马氏体相变和等温时效析出金属间化合物镍和钴则达到所谓的时效钢强化，这样在加强强度的同时也增加了抗拉强度。同时，为了获得高韧性，材料学家们也设法努力降低其中的磷、硫、碳和氮含量。
亲身体验过这种超级钢的人则这么说：“感觉上，踩踏反应很快！”做不到用它自制火箭飞上天，自行车发烧友王屹买了一段雷诺953钢材给他的坐骑定做了一个车架。雷诺953是目前开发出的一种马氏体时效钢。管壁厚度仅仅0.3毫米的953看起来就像一个超细长的易拉罐，然而它却要支持一个自行车手在复杂山路的反复折腾而不变形不断裂，这得益于它本身高达2000MPA的强度，这相当于普通坦克车钢板的强度。
发烧级车手的需求和火箭设计师是一样的，车架要既牢固又轻。钢的密度保证了车架的强度和耐力而超级强度则最终达到轻量化车架的需求，使得看似轻薄的材质与形似的易拉罐有天壤之别。“不仅因为车身轻启动快，而且不管是平地或爬坡，整体车架给人的感觉是轻快。这和一般钢架，平地是王者，爬坡就显现阻力有很大的不同。”王屹觉得如果用于比赛，这台953车架在材质特性上会比碳纤或铝都要来得好，唯一可以比拟的也许是6.4钛材料，但是6.4在强度上也不如这支车架。
“而且它不会生锈。”自己开设了一个工作室的王屹对各种自行车配件了如指掌，因此对953几乎达到了全面的满意。然而马氏体时效钢虽然也属于不锈钢，但是在某些条件下，如硫酸、长时期海水浸泡，还是会出现腐损斑以及腐蚀。如果长期接触海水，这种钢材表面就会出现锈点。虽然这样的锈迹很容易除去，就好比去除不锈钢餐具上的锈迹一样，仍然给美国军方造成很大困扰。事实上，马氏体时效钢同样被大量使用于美国航母舰载机的制造，美国军方尝试过给钢材表面镀上不同的防腐蚀涂层，但至今没有找出最佳解决方案。
负重2吨的黄蜂腿
97000吨重的“罗斯福”号航空母舰在止不住地晃动。巨浪般的蒸汽从弹射区涌出，一架架22328千克重F/A-18C“大黄蜂”舰载战斗机如同“小猫纵身一跃”，从甲板上消失，猛地冲向波斯湾上空，出发执行对地攻击任务。不用多久，它们每一架都仍然将带着超过1吨的重量返回、降落。发射和降落，这些战斗机器在海上333米长甲板上的这种舞蹈每天平均75次，在危机时期如海湾战争中能上升到400次。
如此频繁的发射和降落，对于“大黄蜂”的起落架、气体祸轮发动机主轴和机轮螺栓之类的紧固件来说不啻是一项巨大的考验。这些部件在制造时不得不考虑使用具有高强、高韧的材料。同时，舰载机还必须尽可能的减轻重量，比如“罗斯福”号航空母舰甲板和舰体总共搭载有90架以上飞机和直升机，其中包括36架F/A-18C“大黄蜂”舰载战斗机，如果为了增强性能而添加了它们的重量，那将对飞机本身、母舰的载重和甲板的承受能力提出更高的设计要求。
而用马氏体时效钢制造的“大黄蜂”的起落架则反映出了美军在提高舰载机强度同时达到轻型化的思路。这种马氏体时效钢名为AerMet100。是美国Carpenter技术公司开发的一种由碳、铬和钼强化的铁－镍－钴合金。最初，是麦道公司促进了AerMetl00钢的研制，该公司曾要求Carpenter技术公司为减轻A－12飞行器起落架重量而研制一种代替传统的300M钢的材料。后来虽然A－12计划被取消，但是所获得的资料和数据却促成了“大黄蜂”的诞生。
AerMet100无论在抗应力腐蚀断裂能力和疲劳强度上都具有很优秀的表现，而其在具备高强度、硬度和抗疲劳性能的同时兼有很高的断裂韧性和延展性，更是让它成为综合性能最好的金属材料。在全世界范围内，不仅火箭发动机壳体，飞机起落架和飞机用高强度齿轮，马氏体时效钢出现在潜艇、航天器和兵器等多种重要领域：导弹壳体和陀螺仪表内，水翼船的支柱，铀浓缩用离心分离机的旋转筒，高压容器和传感器……轻便且高强度的它也被美国军方视其为制造先进战斗机的理想材料。当AerMet100钢用于制造航母舰载机时,它具有在严酷海洋大气环境下服役所需要的苛刻的机械性能。
目前，美军利用成本高昂的氰化镀镉工艺来保护它不受腐蚀、氢脆和应力腐蚀开裂的影响。但是这种工艺不但污染环境而且危害健康，同时它不能减轻与应力腐蚀开裂有关的安全问题。当前，美军对于这种材料的主要研究方向是防腐。
纯净的钢铁入太空
与此同时，对更高强度级别马氏体时效钢的研究与开发的主题落在提高强度如达到2800 MPA或更高时，如何保持其塑性和韧性。因为马氏体结构的金属材料的塑韧性对其含有杂质元素的含量极为敏感，所以它的性能，特别是其塑性和断裂韧性，对其含有的碳、硫、磷、氧、氮、氢等杂质元素和夹杂物含量具有极高的敏感性。
最近，Carpenter公司在AerMet100的基础上开发了AerMet310。与AerMet100相同，AerMet310也是含镍钴钢，具有良好的韧性和塑性。它2172MPa的抗拉强度比前一代还高出200MPa。而它的强度与密度的比值甚至高于鼎鼎大名的Ti－6Al－4V 钛合金。
纯净化冶炼，即降低马氏体时效钢中杂质元素及夹杂物含量，可以进一步提高这类材料的塑韧性。中科院金属所在开发高温合金的纯净化冶炼技术研究中，发明了CHA纯净化真空感应冶炼工艺来降低杂质元素。利用该工艺可使高温合金中的杂质元素硫、磷、氧、氮的含量分别降低至10 ppm以下。
目前，中国的材料学家已经开发出超过10种马氏体时效钢，它们主要被用于“嫦娥奔月”的太空探索行动和其它航空航天和军事领域。影响了马氏体时效钢广泛应用的主要因素就是其高合金含量带来的高价格。国际主流的马氏体时效钢所用的合金材料中的钴价格昂贵，金川99.95电解钴出厂价在27万元/吨。而中国的钴矿全国总保有储量仅47万吨，现在主要依靠从海外购买满足国内需求，仅2008年8月份单月的钴矿进口就高达1.825万吨。因此马氏体时效钢的研究和开发在进一步提高强度级别及其使用可靠性之外，开发经济型的无钴马氏体时效钢是目前中国材料界的重要研究方向。
“光做一个车架子就要9000元人民币的成本。”在自行车发烧级玩家王屹看来这其实已经比3300美金的进口原厂货便宜多了。但是这个价格在很多人眼里俨然是天价，或许这种合金要真正进入普通人的日常生活，除了制造技术的发展，也取决于开发出更便宜的合金原材料。中科院金属所目前正在验证稀土元素在马氏体时效钢中的作用机理。也许有望在未来用中国所富含的稀土元素制造出性能更好同时更便宜的马氏体时效钢。
在刚刚结束的2008北京奥运会中，马氏体时效钢不动声色地大显身手。在击剑场上，它的高强度和高韧性使运动员不用担心剑尖会因为折断而刺伤身体，从而让剑客们打得更加尽兴。或许在降低了材料成本之后，马氏体时效钢将会在更广泛的生活领域打出声色。
