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来源:观察者网

吴忍畊,哈尔滨工业大学教授。

[当地时间5月13日,美国公开了对约3000亿美元中国输美商品加征关税的清单,在这份清单公布之前,美国贸易代表莱特希泽曾声称这份清单将面向所有目前还未被加征关税的中国产品。

然而在这份清单中,我们发现,“所有”并不包含稀土、关键矿物等资源。

路透社曾援引咨询企业Adamas Intelligence方面的观点称:“(稀土等)对美国工业和国防至关重要,短期内没有其他供应可以替代。若加征关税,将使美国承受比中国更大的痛苦。”

近日,哈尔滨工业大学教授吴忍畊老师回忆了1978年他带领团队攻关超高强度钢氢脆和应力腐蚀方面的问题,在这次攻关中,他们发现了钨在国防科技中的重要作用。]

[文/观察者网专栏作者 吴忍畊]

1978年,某单位研制新型导弹固体燃料发动机壳体屡遭失败。哈尔滨工业大学派出由力学、焊接、材料和热处理专家组成的团队赴产地协助攻关。在联合攻关的集体中,分工由我承担解决超高强度钢氢脆和应力腐蚀方面的问题。之前,我连这个学术名词还没有听到过,不知道是怎么回事。

钢的氢脆和应力腐蚀课题是当时世界科研热点。这类多学科交错的课题,许多外国学者涉猎此方向,都如入泥坑,不能脱身。面对国防建设的需要,我认真沉思,经过调研,发现大量学术论文都从力学和电化学学科切入,很少有材料学方面的研究报告。半年之后决定勇敢迎战。我和崔忠圻、石宏欢和李仁顺三位青年教师按照扬长避短的方向,发挥材料学科方面的优势,走出了与众不同的路子,解决了许多实际问题。

应力腐蚀开裂是应力和电化学腐蚀共同作用于金属而引起的破坏。应力腐蚀开裂是中碳回火马氏体型超高强度钢的一个重要特性。由于这种破坏经常发生在应力远低于屈服极限,环境可以是很弱性的腐蚀介质,并且断裂之前无塑性变形或其他明显迹象,是核电站安全极重要的考察方面,因而应力腐蚀破断的研究具有十分重要的意义。

接受课题后,我们首先对苏联和美国相关研究领域作考察。苏联和美国在洲际导弹和宇航技术方面并驾齐驱,不相上下。但在低应力断裂力学等学科,苏联却落后于美国约十年之久,这是怎么回事?

吴忍畊:断钨与美国火箭发动机爆炸有怎样的联系?

仔细想想,问题并不简单……

上世纪五十年代初期,美国北极星导弹固体火箭发动机的壳体在试验发射时,发生了意料不到的惊人爆炸事故。

固体火箭发动机的壳体低应力断裂,以及飞机起落架超高强度钢的低应力断裂等许多故障发生之后,西方学术界迅速发展了断裂力学,几乎同时还发展了高强度钢的应力腐蚀开裂、氢脆延迟断裂等一系列新学科,浩大的研究工作,从理论和实践上探索解决低应力断裂问题。

同一时期内,上述学术领域在苏联却没有动静。几乎十年之后,断裂力学才在苏联科技书藉和期刊中出现,大大落后于美国。

怎样解释苏联运载火箭技术的先进和相应的断裂力学的“落后”?搞清楚这个问题,对于发展我国导弹用钢是十分有意义的,如果我们研究超高强度钢能够跨越诸如低应力破断等一系列技术障碍,就可以节省大量人力、物力和财力,少走弯路,赢得时间,赶上世界先进水平。

随后,我们对37钢和28钢这两种特种钢的应力腐蚀开裂特性进行测试试验对比,以期揭开上述问题的“谜底”。

37钢是中国自行研制的新钢种,用于制造发动机壳体的超高强度钢,其合金化与美国某种导弹用钢很相似。采用此钢种制成的薄壁固体燃料发动机壳体在打压测试过程中,多次发生低应力断裂,成为攻关难题。测试37钢应力腐蚀开裂特性的结果证明,此钢种对水质应力腐蚀开裂十分敏感。

28钢是用于制造另外两种发动机壳体用的超高强度钢,这种钢是仿苏联的钢种。对28钢和37钢进行应力腐蚀开裂特性KIscc(应力腐蚀临界应力强度因子)的测试结果表明,与37钢相比,28钢在几乎相同强度水平条件下,具有更为优异的抵抗低应力断裂的性能,其抗水质应力腐蚀开裂特性KIscc远远高于37钢,分别为126.6kg/mm3/2和54.5kg/mm3/2。

37钢和28钢两个钢种的比对可以看作是美国的和苏联的超高强度钢的比较。比较结果表明,苏联钢种在抗应力腐蚀开裂敏感性方面具有极大的优越性。此钢用于制造高压焊接容器,从来没有发生过低应力爆破。

以上试验结果从一个侧面可以说明,苏联完全可能是由于采用了不易发生低应力断裂的导弹钢体系,从而越过一系列复杂麻烦的技术鸿沟,顺利地发展了他们的火箭运载工具。自然,他们也就没有必要像美国那样在学术领域里进行那么浩大规模的断裂力学研究课题了。

进一步比较美国和苏联系列超高强度钢的化学成分,可以发现,苏联的每个钢种都含有钨,其含量范围为1.0~2.9%。而美国发展的超高强度结构钢,没有一个是含有钨的。钨是否在改善材料抗应力腐蚀开裂和抗氢脆延迟断裂性能方面有着特殊的功能?为什么美国发展无钨钢?

经调查研究我们得知,美国发展无钨钢是因为他们缺乏钨矿来源。钨矿是中国富产的矿藏资源,在国际上也是独一无二的。中华人民共和国成立后,由于美国政府奉行敌视中国的政策,再也没有可能从中国获得钨资源。鉴于这个原因,美国把钨列为战略资源,限制结构钢中使用钨作为合金化元素,有限的钨资源确保制造切削刀具用的高速钢。因而,从那个时期以来,美国研发的超高强度结构钢,没有一个是含有钨的。

相反,在同一历史时期,中苏友好结盟,苏联凭借中国的丰富资源,研发含钨超高强度结构钢系列。

断钨导致美国超高强度钢的研制走了无钨钢的道路,与苏联相比较,无钨钢制成的火箭发动机壳体遇到了极大的麻烦,没有苏联幸运。

这说明矿产资源钨,和制造高科技军用和民用系列装备不可或缺的稀土,可以作为武器用来保卫国家的安全。

在以上分析基础上我们提交研究苏联超高强度钢的立项报告。获批准后,齐齐哈尔特种钢厂炼制了试验用钢,团队日以继夜忙碌,创建试验设备,摸索试验方法,探索课题突破口,奋斗5年之后,才显光明。

《航天工艺》杂志社为我们出版《金属材科的氢脆及应力腐蚀开裂专辑》。

吴忍畊:断钨与美国火箭发动机爆炸有怎样的联系?

《航天工艺》出版的《金属材科的氢脆及应力腐蚀开裂专辑》(作者供图)

学部委员蔡其巩作序指出:“金属材料的氢脆和应力腐蚀是十分复杂的、多学科交叉的断裂问题,在这类研究论文的汪洋大海中,很易迷失方向而不能自拔。长期来国内外从事氢脆断裂的研究都着重强调力学因素的作用,着重机理的研究。例如,强调屈服强度以及由它决定的裂纹顶端三轴张力水平,以及塑性变形对KIscc的作用。本专辑的作者们在其一系列论文中,根据合金相组成对氢脆和电化学腐蚀敏感性的重要作用,探讨从材料科学角度提高氢脆和应力腐蚀抗力的途径,这可能是一个能较快见到实效的途径。”

我们的研究证明:由于钨这个合金元素能改变钢在热处理时的相变行为,确保获得很高强度而避免形成氢脆敏感的合金相,使钢不发生低应力断裂。

我们终于找到了避免发生应力腐蚀开裂和氢脆延迟断裂最有效的方法:改变钢的合金相组成,热处理可以大幅度提高超高强度钢抵抗低应力断裂的性能。

那时候还发生了一件事:已经在国防前线部队服役的导弹中鞍形弹性件氢脆延迟断裂,致使导弹停用,急待解决。

此时,我们心中有数,用热处理方法有把握可以解除这个质量问题。这项任务由崔忠圻负责执行。他是我的首位研究生,毕业后留校当了老师。

崔忠圻到制造厂热处理车间去做试验,遇到从车间主任到工人的普遍抵制。按照老观念,氢脆从来都是表面处理工艺的质量问题,怎么能把热处理车间牵累进去呢!最后,经过一年紧张工作,用热处理工艺理竟然真解决了久拖未解的氢脆问题,从而顺利地恢复了导弹的作战功能,这时热处理车间的领导和师傅也都信服了!

稀土也在治金中具有神奇的效果。1961年我给崔忠圻研究生论文题目是:《铝-镁-铈三元合金状态图及其性能研究》。作为哈尔滨工业大学与日本东京大学学术交流论文获得好评。Al-10%Mg铸造合金中加入0.3%-0.5%Ce,其耐应力腐蚀寿命提高十多倍,这对制造海上艇船机匣颇有意义。

吴忍畊:断钨与美国火箭发动机爆炸有怎样的联系?

哈尔滨工业大学与东京大学学术交流现场(作者供图)

1985年我们在铜合金中加入微量稀土铈,研发仿金合金,效果很好,获2项专利。用此合金制成维纳斯像,在广州商品交易会展出,赢得广泛青睐,1986年10月31日《人民日报》海外版有道报。制成精美的金色天坛佛像,作为学校赠送给邵逸夫、霍英东等香港名人,获得特殊的尊敬。

稀土素来有工业“黄金”之称,可以大幅度提高其他产品的质量和性能,在国防和军事科技上大有用途。中国是名副其实的稀土资源大国,稀土资源不但储量丰富,而且矿种和稀土元素齐全、稀土品位及矿点分布合理。必要时,稀土和钨等关键矿物或许可以作为武器用来保卫国家的安全。

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