斷鎢與美國火箭發(fā)動機爆炸兩個之間有什么梗

【當(dāng)?shù)貢r間5月13日，美國公開了對約3000億美元中國輸美商品加征關(guān)稅的清單，在這份清單公布之前，美國貿(mào)易代表萊特希澤曾聲稱這份清單將面向所有目前還未被加征關(guān)稅的中國產(chǎn)品。

然而在這份清單中，我們發(fā)現(xiàn)，“所有”并不包含稀土、關(guān)鍵礦物等資源。

路透社曾援引咨詢企業(yè)Adamas Intelligence方面的觀點稱：“（稀土等）對美國工業(yè)和國防至關(guān)重要，短期內(nèi)沒有其他供應(yīng)可以替代。若加征關(guān)稅，將使美國承受比中國更大的痛苦?！?/p>

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授吳忍畊老師回憶了1978年他帶領(lǐng)團隊攻關(guān)超高強度鋼氫脆和應(yīng)力腐蝕方面的問題，在這次攻關(guān)中，他們發(fā)現(xiàn)了鎢在國防科技中的重要作用。】

【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 吳忍畊】

1978年，某單位研制新型導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動機殼體屢遭失敗。哈爾濱工業(yè)大學(xué)派出由力學(xué)、焊接、材料和熱處理專家組成的團隊赴產(chǎn)地協(xié)助攻關(guān)。在聯(lián)合攻關(guān)的集體中，分工由我承擔(dān)解決超高強度鋼氫脆和應(yīng)力腐蝕方面的問題。之前，我連這個學(xué)術(shù)名詞還沒有聽到過，不知道是怎么回事。

鋼的氫脆和應(yīng)力腐蝕課題是當(dāng)時世界科研熱點。這類多學(xué)科交錯的課題，許多外國學(xué)者涉獵此方向，都如入泥坑，不能脫身。面對國防建設(shè)的需要，我認真沉思，經(jīng)過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大量學(xué)術(shù)論文都從力學(xué)和電化學(xué)學(xué)科切入，很少有材料學(xué)方面的研究報告。半年之后決定勇敢迎戰(zhàn)。我和崔忠圻、石宏歡和李仁順三位青年教師按照揚長避短的方向，發(fā)揮材料學(xué)科方面的優(yōu)勢，走出了與眾不同的路子，解決了許多實際問題。

應(yīng)力腐蝕開裂是應(yīng)力和電化學(xué)腐蝕共同作用于金屬而引起的破壞。應(yīng)力腐蝕開裂是中碳回火馬氏體型超高強度鋼的一個重要特性。由于這種破壞經(jīng)常發(fā)生在應(yīng)力遠低于屈服極限，環(huán)境可以是很弱性的腐蝕介質(zhì)，并且斷裂之前無塑性變形或其他明顯跡象，是核電站安全極重要的考察方面，因而應(yīng)力腐蝕破斷的研究具有十分重要的意義。

接受課題后，我們首先對蘇聯(lián)和美國相關(guān)研究領(lǐng)域作考察。蘇聯(lián)和美國在洲際導(dǎo)彈和宇航技術(shù)方面并駕齊驅(qū)，不相上下。但在低應(yīng)力斷裂力學(xué)等學(xué)科，蘇聯(lián)卻落后于美國約十年之久，這是怎么回事？

仔細想想，問題并不簡單……

上世紀五十年代初期，美國北極星導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動機的殼體在試驗發(fā)射時，發(fā)生了意料不到的驚人爆炸事故。

固體火箭發(fā)動機的殼體低應(yīng)力斷裂，以及飛機起落架超高強度鋼的低應(yīng)力斷裂等許多故障發(fā)生之后，西方學(xué)術(shù)界迅速發(fā)展了斷裂力學(xué)，幾乎同時還發(fā)展了高強度鋼的應(yīng)力腐蝕開裂、氫脆延遲斷裂等一系列新學(xué)科，浩大的研究工作，從理論和實踐上探索解決低應(yīng)力斷裂問題。

同一時期內(nèi)，上述學(xué)術(shù)領(lǐng)域在蘇聯(lián)卻沒有動靜。幾乎十年之后，斷裂力學(xué)才在蘇聯(lián)科技書藉和期刊中出現(xiàn)，大大落后于美國。

怎樣解釋蘇聯(lián)運載火箭技術(shù)的先進和相應(yīng)的斷裂力學(xué)的“落后”？搞清楚這個問題，對于發(fā)展我國導(dǎo)彈用鋼是十分有意義的，如果我們研究超高強度鋼能夠跨越諸如低應(yīng)力破斷等一系列技術(shù)障礙，就可以節(jié)省大量人力、物力和財力，少走彎路，贏得時間，趕上世界先進水平。

隨后，我們對37鋼和28鋼這兩種特種鋼的應(yīng)力腐蝕開裂特性進行測試試驗對比，以期揭開上述問題的“謎底”。

37鋼是中國自行研制的新鋼種，用于制造發(fā)動機殼體的超高強度鋼，其合金化與美國某種導(dǎo)彈用鋼很相似。采用此鋼種制成的薄壁固體燃料發(fā)動機殼體在打壓測試過程中，多次發(fā)生低應(yīng)力斷裂，成為攻關(guān)難題。測試37鋼應(yīng)力腐蝕開裂特性的結(jié)果證明，此鋼種對水質(zhì)應(yīng)力腐蝕開裂十分敏感。

28鋼是用于制造另外兩種發(fā)動機殼體用的超高強度鋼，這種鋼是仿蘇聯(lián)的鋼種。對28鋼和37鋼進行應(yīng)力腐蝕開裂特性KIscc（應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強度因子）的測試結(jié)果表明，與37鋼相比，28鋼在幾乎相同強度水平條件下，具有更為優(yōu)異的抵抗低應(yīng)力斷裂的性能，其抗水質(zhì)應(yīng)力腐蝕開裂特性KIscc遠遠高于37鋼，分別為126.6kg／mm3／2和54.5kg/mm3/2。

37鋼和28鋼兩個鋼種的比對可以看作是美國的和蘇聯(lián)的超高強度鋼的比較。比較結(jié)果表明，蘇聯(lián)鋼種在抗應(yīng)力腐蝕開裂敏感性方面具有極大的優(yōu)越性。此鋼用于制造高壓焊接容器，從來沒有發(fā)生過低應(yīng)力爆破。

以上試驗結(jié)果從一個側(cè)面可以說明，蘇聯(lián)完全可能是由于采用了不易發(fā)生低應(yīng)力斷裂的導(dǎo)彈鋼體系，從而越過一系列復(fù)雜麻煩的技術(shù)鴻溝，順利地發(fā)展了他們的火箭運載工具。自然，他們也就沒有必要像美國那樣在學(xué)術(shù)領(lǐng)域里進行那么浩大規(guī)模的斷裂力學(xué)研究課題了。

進一步比較美國和蘇聯(lián)系列超高強度鋼的化學(xué)成分，可以發(fā)現(xiàn)，蘇聯(lián)的每個鋼種都含有鎢，其含量范圍為1.0～2.9%。而美國發(fā)展的超高強度結(jié)構(gòu)鋼，沒有一個是含有鎢的。鎢是否在改善材料抗應(yīng)力腐蝕開裂和抗氫脆延遲斷裂性能方面有著特殊的功能？為什么美國發(fā)展無鎢鋼？

經(jīng)調(diào)查研究我們得知，美國發(fā)展無鎢鋼是因為他們?nèi)狈︽u礦來源。鎢礦是中國富產(chǎn)的礦藏資源，在國際上也是獨一無二的。中華人民共和國成立后，由于美國政府奉行敵視中國的政策，再也沒有可能從中國獲得鎢資源。鑒于這個原因，美國把鎢列為戰(zhàn)略資源，限制結(jié)構(gòu)鋼中使用鎢作為合金化元素，有限的鎢資源確保制造切削刀具用的高速鋼。因而，從那個時期以來，美國研發(fā)的超高強度結(jié)構(gòu)鋼，沒有一個是含有鎢的。

相反，在同一歷史時期，中蘇友好結(jié)盟，蘇聯(lián)憑借中國的豐富資源，研發(fā)含鎢超高強度結(jié)構(gòu)鋼系列。

斷鎢導(dǎo)致美國超高強度鋼的研制走了無鎢鋼的道路，與蘇聯(lián)相比較，無鎢鋼制成的火箭發(fā)動機殼體遇到了極大的麻煩，沒有蘇聯(lián)幸運。

這說明礦產(chǎn)資源鎢，和制造高科技軍用和民用系列裝備不可或缺的稀土，可以作為武器用來保衛(wèi)國家的安全。

在以上分析基礎(chǔ)上我們提交研究蘇聯(lián)超高強度鋼的立項報告。獲批準(zhǔn)后，齊齊哈爾特種鋼廠煉制了試驗用鋼，團隊日以繼夜忙碌，創(chuàng)建試驗設(shè)備，摸索試驗方法，探索課題突破口，奮斗5年之后，才顯光明。

《航天工藝》雜志社為我們出版《金屬材科的氫脆及應(yīng)力腐蝕開裂專輯》。

《航天工藝》出版的《金屬材科的氫脆及應(yīng)力腐蝕開裂專輯》（作者供圖）

學(xué)部委員蔡其鞏作序指出：“金屬材料的氫脆和應(yīng)力腐蝕是十分復(fù)雜的、多學(xué)科交叉的斷裂問題，在這類研究論文的汪洋大海中，很易迷失方向而不能自拔。長期來國內(nèi)外從事氫脆斷裂的研究都著重強調(diào)力學(xué)因素的作用，著重機理的研究。例如，強調(diào)屈服強度以及由它決定的裂紋頂端三軸張力水平，以及塑性變形對KIscc的作用。本專輯的作者們在其一系列論文中，根據(jù)合金相組成對氫脆和電化學(xué)腐蝕敏感性的重要作用，探討從材料科學(xué)角度提高氫脆和應(yīng)力腐蝕抗力的途徑，這可能是一個能較快見到實效的途徑。”

我們的研究證明：由于鎢這個合金元素能改變鋼在熱處理時的相變行為，確保獲得很高強度而避免形成氫脆敏感的合金相，使鋼不發(fā)生低應(yīng)力斷裂。

我們終于找到了避免發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂和氫脆延遲斷裂最有效的方法：改變鋼的合金相組成，熱處理可以大幅度提高超高強度鋼抵抗低應(yīng)力斷裂的性能。

那時候還發(fā)生了一件事：已經(jīng)在國防前線部隊服役的導(dǎo)彈中鞍形彈性件氫脆延遲斷裂，致使導(dǎo)彈停用，急待解決。

此時，我們心中有數(shù)，用熱處理方法有把握可以解除這個質(zhì)量問題。這項任務(wù)由崔忠圻負責(zé)執(zhí)行。他是我的首位研究生，畢業(yè)后留校當(dāng)了老師。

崔忠圻到制造廠熱處理車間去做試驗，遇到從車間主任到工人的普遍抵制。按照老觀念，氫脆從來都是表面處理工藝的質(zhì)量問題，怎么能把熱處理車間牽累進去呢！最后，經(jīng)過一年緊張工作，用熱處理工藝理竟然真解決了久拖未解的氫脆問題，從而順利地恢復(fù)了導(dǎo)彈的作戰(zhàn)功能，這時熱處理車間的領(lǐng)導(dǎo)和師傅也都信服了！

稀土也在治金中具有神奇的效果。1961年我給崔忠圻研究生論文題目是：《鋁-鎂-鈰三元合金狀態(tài)圖及其性能研究》。作為哈爾濱工業(yè)大學(xué)與日本東京大學(xué)學(xué)術(shù)交流論文獲得好評。Al-10％Mg鑄造合金中加入0.3%-0.5%Ce，其耐應(yīng)力腐蝕壽命提高十多倍，這對制造海上艇船機匣頗有意義。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)與東京大學(xué)學(xué)術(shù)交流現(xiàn)場（作者供圖）

1985年我們在銅合金中加入微量稀土鈰，研發(fā)仿金合金，效果很好，獲2項專利。用此合金制成維納斯像，在廣州商品交易會展出，贏得廣泛青睞，1986年10月31日《人民日報》海外版有道報。制成精美的金色天壇佛像，作為學(xué)校贈送給邵逸夫、霍英東等香港名人，獲得特殊的尊敬。

稀土素來有工業(yè)“黃金”之稱，可以大幅度提高其他產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，在國防和軍事科技上大有用途。中國是名副其實的稀土資源大國，稀土資源不但儲量豐富，而且礦種和稀土元素齊全、稀土品位及礦點分布合理。必要時，稀土和鎢等關(guān)鍵礦物或許可以作為武器用來保衛(wèi)國家的安全。