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原来变形金刚才是真正的“钢铁侠”

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-09-03 13:48

正文

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现代的钢铁制造商能够通过调整汽车钢铁的生产流程，制备出具有合适特性的新型钢材，并将其应用在既安全又省油的汽车上。

正如许多实用的创新一样，印度冶金学家两千多年前创造出的高质量钢材，可能是精湛工艺和狗屎运完美结合的产物。

古印度人在特殊的陶土容器中用木炭熔炼铁块，最终制成了一种全新的物质，印度人称之为乌兹钢。罗马军队很快就挥舞着乌兹钢剑，去恐吓和征服古代欧洲那些蛮族。

在经过了24个世纪后，钢铁制造商们依靠电弧炉、热冲压机以及淬火和分区工艺生产钢铁，这些工艺是古人无法想象的。这些新工艺能够改善钢材的性质，在车辆相互碰撞（这种情况不可避免）时保护柔软的人体，同时控制汽车重量，并减少对地球的有害影响。

“这是一场革命，”密歇根大学工程学教授艾伦·陶布（Alan Taub）说，他在汽车行业有多年的工作经验。数十种已有的和仍在研发中的新钢材，通过与轻质聚合物和碳纤维编织组合，得到内饰和底盘等用于组装成新型汽车，这不禁让人回想起上世纪初那段令人兴奋的日子，他说，“当时的底特律就是现在的硅谷”。

采用这些新材料可以将车辆的重量减轻数百磅，而每减少一磅多余重量，驾驶者就可以在汽车的使用寿命内节省大约三美元的燃油成本。因此，给汽车减重的经济效益是难以否认的。陶布说，汽车工业的新座右铭是“在正确的位置使用正确的材料”。

汽车工业向新能源汽车的转变凸显了采用这些新材料的重要性。电动汽车可能不会排放污染，但它们很重——例如，沃尔沃XC40 新能源版比汽油版要重33%（如果乘客周围的钢材像过去那样笨重，还会更重）。太重了也会带来安全风险。

“汽车的安全性，特别是在新的交通政策和新技术的背景下，不能被忽视，”美国国家运输安全委员会主席珍妮弗·霍门迪（Jennifer Homendy）在2023年对交通研究委员会提到。此外，当电动汽车的重量减轻10%，汽车的续航里程大约可以提高14%。

就在上世纪60年代，汽车乘客周围的钢架还是由汽车制造商所说的软钢制成的。底特律“侏罗纪时期”的汽车钢架与亨利·福特几十年前引入的汽车钢架没有太大区别。它很重，而且用钢量巨大。

随着1965年拉尔夫·纳德的《任何速度都不安全：美国汽车的设计隐患》一书的问世，大型汽车制造商意识到他们不能再一味追求速度和性能了。20世纪70年代的石油禁运更是推进了这一变革的进程：汽车采用的钢材现在必须既坚固又轻便，以减少推动其所需的燃料。

作为回应，在过去的60年里，钢铁制造商们就像是操作低温慢煮机来烹制完美口感的美食的厨师一样——他们的“炊具”是达到数千华氏度的电弧炉，由机器人操作——创造出了种类繁多的钢材以满足汽车工业的各种需求。其中有用于底盘的高强度硬化钢；用于侧板和车顶的耐腐蚀不锈钢；以及保险杠中高度可拉伸的金属，可以在不皱缩的情况下吸收冲击力。

汽车制造商会使用各种各样的材料来制造汽车车身，他们会在汽车的不同部分选择最合适的金属材料。

钢铁的魔法

大多数钢材的含铁量超过98%。但是，正是那剩下的百分之几的成分才造就了差异——这些成分被添加入金属以赋予钢铁所需特性的情况下，有时甚至只有百分之一的百分之一。同样重要的是处理方法：加热、冷却和加工，比如在形成零件之前对钢板进行轧制。生产钢铁的每一步流程的微调，有时仅仅每一步调整几秒钟，就能改变金属的结构，从而产生不同的性能。“这完全是在完成一场钢铁的魔法，”科罗拉多矿业学院高级钢材加工与产品研究中心主任约翰·斯皮尔（John Speer）说。

在最微观的层面上，钢材的性能与不同成分的微观排布有关：即金属中不同类型或金属相成分的排列。有些金属相较硬，而有些金属相赋予了钢铁的延展性。延展性是衡量金属在不产生剪切应变或被撕裂产生锯齿形边缘的情况下，可以被弯曲和扭曲成何种程度的指标。在原子层面上，汽车用钢主要有四种相，包括最硬但也最脆的马氏体，以及更具延展性的奥氏体。钢铁制造商可以通过控制加热过程的时间和温度来改变金属相成分的含量和比例，以实现钢铁所需的不同性能。

这张金相的电子显微图上显示了两种不同类型的金属相：较软、更易加工的奥氏体（蓝色）和较硬、更脆的马氏体（红色）。炼钢工人可以通过改变钢材的回火和淬火方式来改变这两种金属相的混合比例。图片来源：改编自R. HOSSAIN ET AL /《科学报告》2016年

科研人员和高铁产业工人正与汽车制造商紧密合作，研发出了三代高级高强度钢。第一代钢材于上世纪90年代被投入使用，至今仍在广泛使用，这种金属具有良好的强度和延展性。第二代钢材采用了更独特的合金来实现更高的延展性，但制造这些钢材的成本高昂且工艺复杂。

斯皮尔表示，第三代钢材已经开始准备被投入生产。这种钢材采用独特的回火和淬火技术来生产比第一代钢材更强、更易成型的钢材；第三代钢铁的强度几乎是过去普通钢材的十倍；而且比第二代钢材便宜得多（尽管延展性较低）。

炼钢工人发现，冷却时间是决定最终原子排列、进而决定钢材性能的关键因素。最快速的冷却方法被称为淬火，它能在钢材在达到室温之前，冻结并稳定其内部结构，从而防止其进一步发生变化。

现代汽车会将最坚固的钢铁应用于最重要的结构部件，如侧板和支柱——这种最坚固的钢铁是向被加热到850℃的钢铁中加入硼、锰来制造的。在钢材被加热软化后，加热的钢材会在10秒内被转移到模具中成型，并快速冷却。

在一种所谓的相变诱导塑性中，钢材被加热到高温，然后冷却到较低温度并保温一段时间，随后迅速淬火。这样会形成被较软的铁素体包围的分散的奥氏体岛，以及较硬的贝氏体和马氏体区域。这种钢材能吸收大量能量而不断裂，因此适用于保险杠和支柱等部件。

钢铁生产的工艺可以通过进一步添加各类微量金属得到进一步改善。一个多世纪以前，亨利·福特就在他的T型车中使用了钢和钒的合金，以提高钢材的性能，而今天，钢铁中各元素的比例仍在不断改进。一个非常贴近我们的现代生活的例子就是，福特汽车公司采用轻金属与钢材结合的复合材料生产的铝制F-150卡车，其2015年款车型比前一款车型轻了近700磅。

复杂的钢合金有着悠久的历史。即使在20世纪初，亨利·福特就在他用于制造T型车的钢材中添加了钒元素。图片来源：JOHN TEWELL / FLICKR

新材料需要配合新工艺才能发挥出其全部效用。与新型钢铁材料相结合的一种工艺是管液压成形，这种工艺通过向管内注入高压水或其他流体，将金属弯曲成复杂的形状，并将其膨胀成周围模具的形状。这样可以无需将两个部件焊接在一起，从而节省时间和成本。2019年陶布（Taub）与他人合著了一篇关于汽车轻量化的《材料研究年度评论》文章，据他介绍，世界上最大的液压成形部件——雪佛兰克尔维特铝制框架纵梁，与其要替代的钢制纵梁相比减轻了20%的重量。

新合金

在最近新研发出的合金材料包括添加了钛和铌的合金，它们通过稳定金属的微观结构来增加材料的强度。斯皮尔在2022年的一篇论文中称，铌的引入是“20世纪最重要的物理冶金学发展之一”。

如今，计算机已成为降低试错成本的一种工具。“现在我们想利用计算机模拟的方式实现来比实验更高效地开发材料，”斯皮尔说。现在，人们可以在原子级别上测试新想法，而无需工人弯腰在台子上操作。

为了不断寻找更好的材料和工艺，2015年工程师雷蒙德·博伊曼（Raymond Boeman）及其同事创立了先进复合材料制造创新研究所（IACMI），并获得了7000万美元的联邦拨款。该研究所也被称为复合材料研究所，是工业界开发、测试和扩大新工艺和产品的地方。

“这个领域正在以多种方式发展，”博伊曼说，他现在负责该研究所开展工艺升级的研究。IACMI一直致力于寻找更环保的替代品来取代传统塑料，如广泛使用的聚丙烯。1960年，车辆中使用的塑料普遍不到100磅。到2017年，这一数字已上升到近350磅，因为塑料成本低廉，且具有较高的强度重量比，非常适合汽车制造商在减轻车重方面使用。

据陶布介绍，到2019年，一辆汽车的10%至15%由聚合物和复合材料制成，从座椅部件到行李箱、车门部件和仪表板，无所不包。当这些汽车报废时，它们会产生500万吨被称为汽车破碎机残余物的塑料和其他难以回收的材料，这些垃圾最终会进入垃圾填埋场——更糟糕的是，还会进入更广泛的环境中。

研究人员正在努力开发更强、更轻、更环保的塑料。同时，新型碳纤维产品使得这些轻质材料能够用于承载部位，如车身结构底部的零件，从而进一步减少车身所用重金属的数量。

显然，要降低汽车对人类身体和地球的伤害，还有很多工作需要做。但陶布表示，他对底特律的未来以及汽车行业解决问题的能力持乐观态度。“我告诉学生，他们将在未来很长一段时间内拥有工作保障。”

作者：John Johnson Jr.

翻译：*0

审校：7号机

原文链接：New forms of steel for stronger, lighter cars

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编辑：7号机

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