突破材料极限！北京科技大学研发新型超强钢

突破材料极限！北京科技大学研发新型超强钢

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https://baike.baidu.com/item/%E5%8C%97%E4%BA%AC%E7%A7%91%E6%8A%80%E5%A4%A7%E5%AD%B8/136975

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北京科技大学新金属材料国家重点实验室吕昭平教授团队在超高强度钢研究领域取得重大突破，成功研发出Fe-Ni-Al基马氏体超高强度钢和超高强度不锈钢。这种新材料不仅在强度上达到前所未有的水平，还在韧性、耐蚀性、耐辐照性等方面实现了全面提升，为航空航天、交通运输、未来核能等多个领域提供了新的材料选择。

超高强度钢是应用最为广泛的超高强度金属材料，在航空航天、交通运输、先进制造、未来核能以及国防装备等国民经济重要领域发挥支撑作用。近年来，工业社会的快速发展以及双碳战略的提出不仅对超高强度钢的强韧性提出了更高要求，构件服役温度的提升以及多场服役环境需求（如模具、核电CRDM部件、轴齿等）对其耐温耐蚀、耐辐照、耐磨、导热等性能也提出了新要求。

然而，传统超高强度钢在追求更高强度时，往往面临强韧性难以兼顾的难题。特别是在高剂量辐照、高温等严苛环境下，纳米析出容易发生粗化和回溶，导致材料性能退化。因此，开发新型超高强度钢，突破现有材料性能极限，成为材料科学领域的重要课题。

针对传统超高强度钢的局限性，吕昭平教授团队提出了“共格析出与伴生析出协同强化”的新思路。这一创新思路的核心在于通过低错配度设计，实现超高强度与韧性的平衡。

共格析出是指析出相与基体之间保持完整的晶体学关系，具有较低的界面能。相比于传统的半共格析出，共格析出具有以下优势：

1. 形核势垒低：更容易获得高密度且均匀分布的析出相
2. 界面结合良好：与基体协同变形，避免过早开裂
3. 热稳定性高：在高温和辐照环境下不易粗化或回溶

然而，单纯的共格析出也会带来一个问题：被位错切过后容易诱发平面滑移带，导致材料塑性下降。为了解决这一问题，研究团队进一步提出了伴生析出的概念。通过热锻结合时效处理工艺，促进其他类型小尺寸缺陷的形成，抑制局域损伤的产生，从而实现强度与韧性的协同提升。

基于上述创新思路，研究团队成功开发出两种新型超高强度钢：

1. Fe-Ni-Al基马氏体超高强度钢：

• 屈服强度近2GPa
• 断裂韧性超过80 MPam1/2
• 延伸率大于8%
• 在工程用超高强度钢中首次获得4-7%的均匀延伸率

2. 3GPa级超高强度钢：

• 抗拉强度达到3GPa
• 延伸率超过7%
• 突破了块体材料性能极限

除了卓越的力学性能，新材料在其他方面也展现出优异的特性：

• 耐蚀性：通过Al-Cr元素的协同作用，耐蚀和耐氧化性能优于传统铬基不锈钢
• 耐辐照性：在400-600℃温度范围内，即使在高达2000dpa的重离子辐照下，也无空洞肿胀形成，力学性能保持稳定
• 高温性能：在室温至500℃范围内，硬度几乎不随温度下降而衰减，具有优异的高温耐磨性能

这种新型超高强度钢的问世，将为多个行业带来革命性的变化：

1. 航空航天：可用于制造高性能发动机部件、火箭箭体等，提升飞行器的可靠性和效率
2. 核能领域：适用于制造耐辐照结构材料，提高核设施的安全性和使用寿命
3. 模具制造：优异的高温性能和耐磨性使其成为高性能模具的理想选择
4. 海洋工程：在深海油气钻采系统中的关键部件，如隔水管、油井管等，具有广阔应用前景

北京科技大学吕昭平教授团队的这一研究成果，不仅突破了超高强度钢的性能极限，更为相关行业的技术进步和产业升级提供了重要支撑。这种兼具高强度、高韧性、耐蚀性、耐辐照性的新型材料，必将在未来的关键领域发挥重要作用，为我国的科技创新和产业升级注入新的动力。