責(zé)編：唐丹妮

導(dǎo)語(yǔ)：不管是295噸重火箭的推進(jìn)器，還是自行車車架.3毫米厚度的管壁，飛機(jī)、潛艇和航天器等各領(lǐng)域都離不開馬氏體時(shí)效鋼。這種輕薄的超高強(qiáng)度合金鋼可以上天入地。

地面點(diǎn)火，火箭發(fā)射。2008年4月28日， PSLV－C9火箭從印度南部斯里哈里科塔發(fā)射場(chǎng)搭載10顆衛(wèi)星升空。25秒后，這枚高44.4米，直徑2.8米，重295噸的火箭飛升至3千米高空之上，主推進(jìn)器點(diǎn)火。這個(gè)世界上最大的推進(jìn)器攜帶了130噸端羥基聚丁二烯推進(jìn)劑，在持續(xù)釋放最高可達(dá)4762千牛的推進(jìn)力挑戰(zhàn)地心引力，也把此時(shí)的推進(jìn)器變成一座極端高溫高壓的煉獄。而被用來(lái)制造推進(jìn)器的超高強(qiáng)度夢(mèng)幻鋼鐵——馬氏體時(shí)效鋼對(duì)高達(dá)6MPA壓力和超過(guò)3000 °C溫度環(huán)境的抵抗，則是決定這場(chǎng)超過(guò)1億美元的發(fā)射最終升入天堂或墮入地獄的關(guān)鍵。

易拉罐厚的坦克裝甲

爆發(fā)出超過(guò)普通汽車發(fā)動(dòng)機(jī)800倍的動(dòng)能才能帶動(dòng)400噸重的物體，以120米/秒的速度擺脫地球重力。這樣的火箭推進(jìn)器同時(shí)也需要抵抗800倍的強(qiáng)度。然而通過(guò)增加材料厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的話會(huì)極大增加火箭的重量。增重則需要更強(qiáng)的動(dòng)力來(lái)彌補(bǔ)，反過(guò)來(lái)要需要更高的強(qiáng)度。因此，制造火箭推進(jìn)器的關(guān)鍵技術(shù)之一就是尋找出擁有超級(jí)強(qiáng)度、更加輕便的耐高溫材料。制造PSLV火箭的馬氏體時(shí)效鋼就是目前強(qiáng)度級(jí)別最高的金屬材料之一，在制備的很輕薄的情況下依然能承受很大的力量。

馬氏體是一種晶體結(jié)構(gòu)為體心四方結(jié)構(gòu)的黑色金屬材料的一種組織名稱。馬氏體時(shí)效鋼以超低碳馬氏體為基體，以彌散析出的金屬間化合物為強(qiáng)化相，因而可以在保持較高塑性和韌性的基礎(chǔ)上達(dá)到超高強(qiáng)度。在高強(qiáng)度時(shí)效處理前具有良好的成形性，時(shí)效處理幾乎不變形，時(shí)效處理后有高強(qiáng)韌性。而通過(guò)馬氏體相變和等溫時(shí)效析出金屬間化合物鎳和鈷則達(dá)到所謂的時(shí)效鋼強(qiáng)化，這樣在加強(qiáng)強(qiáng)度的同時(shí)也增加了抗拉強(qiáng)度。同時(shí)，為了獲得高韌性，材料學(xué)家們也設(shè)法努力降低其中的磷、硫、碳和氮含量。

親身體驗(yàn)過(guò)這種超級(jí)鋼的人則這么說(shuō)：“感覺上，踩踏反應(yīng)很快！”做不到用它自制火箭飛上天，自行車發(fā)燒友王屹買了一段雷諾953鋼材給他的坐騎定做了一個(gè)車架。雷諾953是目前開發(fā)出的一種馬氏體時(shí)效鋼。管壁厚度僅僅0.3毫米的953看起來(lái)就像一個(gè)超細(xì)長(zhǎng)的易拉罐，然而它卻要支持一個(gè)自行車手在復(fù)雜山路的反復(fù)折騰而不變形不斷裂，這得益于它本身高達(dá)2000MPA的強(qiáng)度，這相當(dāng)于普通坦克車鋼板的強(qiáng)度。

發(fā)燒級(jí)車手的需求和火箭設(shè)計(jì)師是一樣的，車架要既牢固又輕。鋼的密度保證了車架的強(qiáng)度和耐力而超級(jí)強(qiáng)度則最終達(dá)到輕量化車架的需求，使得看似輕薄的材質(zhì)與形似的易拉罐有天壤之別。“不僅因?yàn)檐嚿磔p啟動(dòng)快，而且不管是平地或爬坡，整體車架給人的感覺是輕快。這和一般鋼架，平地是王者，爬坡就顯現(xiàn)阻力有很大的不同?！蓖跻儆X得如果用于比賽，這臺(tái)953車架在材質(zhì)特性上會(huì)比碳纖或鋁都要來(lái)得好，唯一可以比擬的也許是6.4鈦材料，但是6.4在強(qiáng)度上也不如這支車架。

“而且它不會(huì)生銹?！弊约洪_設(shè)了一個(gè)工作室的王屹對(duì)各種自行車配件了如指掌，因此對(duì)953幾乎達(dá)到了全面的滿意。然而馬氏體時(shí)效鋼雖然也屬于不銹鋼，但是在某些條件下，如硫酸、長(zhǎng)時(shí)期海水浸泡，還是會(huì)出現(xiàn)腐損斑以及腐蝕。如果長(zhǎng)期接觸海水，這種鋼材表面就會(huì)出現(xiàn)銹點(diǎn)。雖然這樣的銹跡很容易除去，就好比去除不銹鋼餐具上的銹跡一樣，仍然給美國(guó)軍方造成很大困擾。事實(shí)上，馬氏體時(shí)效鋼同樣被大量使用于美國(guó)航母艦載機(jī)的制造，美國(guó)軍方嘗試過(guò)給鋼材表面鍍上不同的防腐蝕涂層，但至今沒有找出最佳解決方案。

負(fù)重2噸的黃蜂腿

97000噸重的“羅斯?！碧?hào)航空母艦在止不住地晃動(dòng)。巨浪般的蒸汽從彈射區(qū)涌出，一架架22328千克重F/A-18C“大黃蜂”艦載戰(zhàn)斗機(jī)如同“小貓縱身一躍”，從甲板上消失，猛地沖向波斯灣上空，出發(fā)執(zhí)行對(duì)地攻擊任務(wù)。不用多久，它們每一架都仍然將帶著超過(guò)1噸的重量返回、降落。發(fā)射和降落，這些戰(zhàn)斗機(jī)器在海上333米長(zhǎng)甲板上的這種舞蹈每天平均75次，在危機(jī)時(shí)期如海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中能上升到400次。

如此頻繁的發(fā)射和降落，對(duì)于“大黃蜂”的起落架、氣體禍輪發(fā)動(dòng)機(jī)主軸和機(jī)輪螺栓之類的緊固件來(lái)說(shuō)不啻是一項(xiàng)巨大的考驗(yàn)。這些部件在制造時(shí)不得不考慮使用具有高強(qiáng)、高韌的材料。同時(shí)，艦載機(jī)還必須盡可能的減輕重量，比如“羅斯?！碧?hào)航空母艦甲板和艦體總共搭載有90架以上飛機(jī)和直升機(jī)，其中包括36架F/A-18C“大黃蜂”艦載戰(zhàn)斗機(jī)，如果為了增強(qiáng)性能而添加了它們的重量，那將對(duì)飛機(jī)本身、母艦的載重和甲板的承受能力提出更高的設(shè)計(jì)要求。

而用馬氏體時(shí)效鋼制造的“大黃蜂”的起落架則反映出了美軍在提高艦載機(jī)強(qiáng)度同時(shí)達(dá)到輕型化的思路。這種馬氏體時(shí)效鋼名為AerMet100。是美國(guó)Carpenter技術(shù)公司開發(fā)的一種由碳、鉻和鉬強(qiáng)化的鐵－鎳－鈷合金。最初，是麥道公司促進(jìn)了AerMetl00鋼的研制，該公司曾要求Carpenter技術(shù)公司為減輕A－12飛行器起落架重量而研制一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)的300M鋼的材料。后來(lái)雖然A－12計(jì)劃被取消，但是所獲得的資料和數(shù)據(jù)卻促成了“大黃蜂”的誕生。

AerMet100無(wú)論在抗應(yīng)力腐蝕斷裂能力和疲勞強(qiáng)度上都具有很優(yōu)秀的表現(xiàn)，而其在具備高強(qiáng)度、硬度和抗疲勞性能的同時(shí)兼有很高的斷裂韌性和延展性，更是讓它成為綜合性能最好的金屬材料。在全世界范圍內(nèi)，不僅火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，飛機(jī)起落架和飛機(jī)用高強(qiáng)度齒輪，馬氏體時(shí)效鋼出現(xiàn)在潛艇、航天器和兵器等多種重要領(lǐng)域：導(dǎo)彈殼體和陀螺儀表內(nèi)，水翼船的支柱，鈾濃縮用離心分離機(jī)的旋轉(zhuǎn)筒，高壓容器和傳感器……輕便且高強(qiáng)度的它也被美國(guó)軍方視其為制造先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的理想材料。當(dāng)AerMet100鋼用于制造航母艦載機(jī)時(shí)，它具有在嚴(yán)酷海洋大氣環(huán)境下服役所需要的苛刻的機(jī)械性能。

目前，美軍利用成本高昂的氰化鍍鎘工藝來(lái)保護(hù)它不受腐蝕、氫脆和應(yīng)力腐蝕開裂的影響。但是這種工藝不但污染環(huán)境而且危害健康，同時(shí)它不能減輕與應(yīng)力腐蝕開裂有關(guān)的安全問題。當(dāng)前，美軍對(duì)于這種材料的主要研究方向是防腐。

純凈的鋼鐵入太空

與此同時(shí)，對(duì)更高強(qiáng)度級(jí)別馬氏體時(shí)效鋼的研究與開發(fā)的主題落在提高強(qiáng)度如達(dá)到2800 MPA或更高時(shí)，如何保持其塑性和韌性。因?yàn)轳R氏體結(jié)構(gòu)的金屬材料的塑韌性對(duì)其含有雜質(zhì)元素的含量極為敏感，所以它的性能，特別是其塑性和斷裂韌性，對(duì)其含有的碳、硫、磷、氧、氮、氫等雜質(zhì)元素和夾雜物含量具有極高的敏感性。

最近，Carpenter公司在AerMet100的基礎(chǔ)上開發(fā)了AerMet310。與AerMet100相同，AerMet310也是含鎳鈷鋼，具有良好的韌性和塑性。它2172MPa的抗拉強(qiáng)度比前一代還高出200MPa。而它的強(qiáng)度與密度的比值甚至高于鼎鼎大名的Ti－6Al－4V 鈦合金。

純凈化冶煉，即降低馬氏體時(shí)效鋼中雜質(zhì)元素及夾雜物含量，可以進(jìn)一步提高這類材料的塑韌性。中科院金屬所在開發(fā)高溫合金的純凈化冶煉技術(shù)研究中，發(fā)明了CHA純凈化真空感應(yīng)冶煉工藝來(lái)降低雜質(zhì)元素。利用該工藝可使高溫合金中的雜質(zhì)元素硫、磷、氧、氮的含量分別降低至10 ppm以下。

目前，中國(guó)的材料學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出超過(guò)10種馬氏體時(shí)效鋼，它們主要被用于“嫦娥奔月”的太空探索行動(dòng)和其它航空航天和軍事領(lǐng)域。影響了馬氏體時(shí)效鋼廣泛應(yīng)用的主要因素就是其高合金含量帶來(lái)的高價(jià)格。國(guó)際主流的馬氏體時(shí)效鋼所用的合金材料中的鈷價(jià)格昂貴，金川99.95電解鈷出廠價(jià)在27萬(wàn)元/噸。而中國(guó)的鈷礦全國(guó)總保有儲(chǔ)量?jī)H47萬(wàn)噸，現(xiàn)在主要依靠從海外購(gòu)買滿足國(guó)內(nèi)需求，僅2008年8月份單月的鈷礦進(jìn)口就高達(dá)1.825萬(wàn)噸。因此馬氏體時(shí)效鋼的研究和開發(fā)在進(jìn)一步提高強(qiáng)度級(jí)別及其使用可靠性之外，開發(fā)經(jīng)濟(jì)型的無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼是目前中國(guó)材料界的重要研究方向。

“光做一個(gè)車架子就要9000元人民幣的成本?！痹谧孕熊嚢l(fā)燒級(jí)玩家王屹看來(lái)這其實(shí)已經(jīng)比3300美金的進(jìn)口原廠貨便宜多了。但是這個(gè)價(jià)格在很多人眼里儼然是天價(jià)，或許這種合金要真正進(jìn)入普通人的日常生活，除了制造技術(shù)的發(fā)展，也取決于開發(fā)出更便宜的合金原材料。中科院金屬所目前正在驗(yàn)證稀土元素在馬氏體時(shí)效鋼中的作用機(jī)理。也許有望在未來(lái)用中國(guó)所富含的稀土元素制造出性能更好同時(shí)更便宜的馬氏體時(shí)效鋼。

在剛剛結(jié)束的2008北京奧運(yùn)會(huì)中，馬氏體時(shí)效鋼不動(dòng)聲色地大顯身手。在擊劍場(chǎng)上，它的高強(qiáng)度和高韌性使運(yùn)動(dòng)員不用擔(dān)心劍尖會(huì)因?yàn)檎蹟喽虃眢w，從而讓劍客們打得更加盡興?；蛟S在降低了材料成本之后，馬氏體時(shí)效鋼將會(huì)在更廣泛的生活領(lǐng)域打出聲色。