中国的超级钢
新华社年7月曾报道,我国最新发明的超级钢达到了前所未有的MPa的屈服强度和16%的均匀延伸率,“具有最优的强度和延展性的结合”。
此外,该钢还有两大优点。第一,成本较低。这种超级钢是成分简单的中锰钢成分体系,含有10%锰、0.47%碳、2%铝、0.7%钒,这些都是现在广泛使用的钢材料中常见的合金元素,并没有通过大量使用昂贵的合金元素来提高强韧性;第二,该钢是通过工业界广泛使用的加工工艺来制备,如热轧、冷轧、热处理等常规工业制备工艺,而不是采用那些难以规模化工业生产的特殊加工工艺来制备。因此,这种超级钢具备在钢铁企业进行百吨级规模工业化生产的潜力。
中国的超级钢的性能不但有超高的强度,而且具有不错的延展性。这就让中国的超级钢具有了难能可贵的强韧平衡!即材料具有很高强度的同时又有了不错的韧性。这很重要,据称现在我国的战略核潜艇使用的钢材就是屈服强度MPa的钢材,以前是日本生产的,到年宝钢集团才实现国产化。而现在我们的超级钢屈服强度达到了MPa!更难得的是中国的超级钢兼顾了强度和韧性。强度和韧性让我们从完璧归赵的故事开始说起。
完璧归赵成功的客观条件
完璧归赵的故事,大家都学习过。主要是说蔺相如给了和氏璧,但是秦王得玉后不提割让15座城的承诺,蔺相如以玉有瑕疵为由拿到玉并作势要摔坏玉。秦王无奈,蔺相如得意带着完整的和氏璧回到赵国。完璧归赵成功的客观条件是因为玉是脆性材料,很容易摔碎!
这个故事跟玉是脆性材料离不开!脆性材料就是指材料变形很小的时候,就发生断裂。生活中我们看到玉镯碎裂、玻璃水杯打碎、陶瓷文物的碎裂都是因为玉和传统陶瓷都是脆性材料,并且其强度不够高,人用力摔或者跌落产生的能量,都超过了它的承受范围。
塑料瓶—随处可见的韧性材料
前面说了脆性材料很容易就断裂了。但是我们也能遇到生活中很难断裂的材料,比如常见的塑料。塑料瓶经过挤压、强摔、弯折等都不会断裂。当然不是所有的塑料都是韧性的,塑料一样也有脆性的,比如某些硬质塑料。
极度扭曲变形的塑料瓶还没有断裂额外说一句,有种材料的韧性特别好,生活中非常常见,它就是橡胶。比如女生用的橡皮筋,可以拉伸长度超过自身长度五六倍而不断裂,并且可以回弹回来。
怎么科学评价材料的脆、韧性
相信前面的对比让大家脆性材料和韧性材料有了一个感性认识。那么我们如何应该怎么评价一个材料的脆性或者韧性呢?这要从材料力学里面的应力应变曲线说起。以拉伸为例,拉伸应力应变曲线就是把材料支撑一个样条,然后进行拉伸。拉伸样条根据标准不同会有各种各样的形状,金属有用金属丝来拉伸。
拉伸完了以后,通过设备记录拉伸过程中力的变化和位移的变化,经过处理,就可以得到应力应变曲线。
应力应变曲线通过应力应变曲线我们可以获得这个材料的诸多性质,如果材料经过微小的应变(一般小于2%~5%)断裂是脆性材料。
超级钢的性能
回到中国的超级钢铁,我们知道中国超级钢的强度达到了MPa,这个强度有多高呢?长石烤瓷材料的拉伸强度才35MPa左右,一般的塑料拉伸强度在几十到一百多MPa。其中工程塑料包括加了玻纤增强的材料强度明显增加(塑料里面加入了玻璃纤维就会从韧性材料变成脆性材料)。而一百多MPa的增强塑料我们不借助工具已经很难破坏。
这张图是超级钢和其他行业用的金属应力应变曲线的对比,强度比汽车领域用DP高得多,而断裂伸长率稍差。比航空和国防领域的马氏钢要高出几百MPa,并且其断裂伸长率达到了16%,马氏钢只有10%。因此意义十分巨大。
中国超级钢的优点不仅于此,更难得的是它比现有国防工业马氏钢的强度更高,而原材料成本更低!低到什么程度,仅有航空和国防领域马氏钢的20%!原材料成本低到和汽车工业用刚一样!这个意义有多重大,意味着我们潜艇、舰船成本将大幅度下降,以后下饺子更容易了!
超级钢和其他领域钢的原材料成本对比仔细的朋友可能会问,那超级钢的原材料成本低,制造成本也许很高?但是据发明此钢的香港大学黄明欣教授介绍:
該鋼通過在工業界廣泛使用的加工工藝來制備,如熱軋、冷軋、熱處理等常規工業制備工藝,而不是采用那些難以規模化工業生產的特殊加工工藝制備。因此,本發明的超級鋼,具備直接在鋼鐵企業進行百噸級規模工業化生產的巨大潛力。
是的,制造过程也不是那种难以规模化的特殊工艺而是现在广泛使用的加工工艺。
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