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教育部第二批“新工科”课程《钢铁科学与技术前沿》第五讲: 钢铁的过去、现在和未来

发布时间:2021/11/08

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10月19日,由中国金属学会和上海大学联合开设的教育部第二批“新工科”课程——《钢铁科学与技术前沿》第五讲正式开课。本次课程主题为“钢铁的过去、现在和未来”,由北京科技大学罗海文教授主讲。在课程中,罗海文教授以时间为尺度,通过介绍乌兹钢、大马士革刀与倭刀来阐述钢铁的过去,以高等数学在钢铁领域的深度应用来体现现代钢铁研究现状,最后引出未来钢铁材料的替代品。

 

数亿年前的一场宇宙大爆炸催生了世间万物,而在所有已知的元素种类中,铁元素恰好成为了最稳定的一种,也是宇宙中裂变、聚变的临界点。“宇宙的形成实际就是一个冶金过程,涉及了无数化学反应。”罗海文教授以铁元素的起源为出发点,进一步引出了古代花纹钢刀的制造过程。在诸多史料记载中,大马士革钢刀威名冠绝宇宙,吸引了欧洲从无数铁匠至大科学家法拉第等争先复制这一来自阿拉伯地区的神秘图案,因为他们相信这正是钢刀的魔力所在,却均无所获;历经数百年直至20世纪90年代斯坦福大学Sherby教授才总结出失败的原因,大马士革花纹的形成一是需要古印度地区含有粗大碳化物的超高碳乌兹钢作为原材料;二是中东铁匠采用了独特的低温锻打工艺(650℃至850℃),在这一远低于欧洲铁匠的锻打温度下,乌兹钢中由于缓慢凝固形成的粗大渗碳体不会回熔而被破碎,同时超高碳钢在该温度下具有超塑性更容易成形。

 

随着人类文明进入工业时代,钢铁研究也在朝着高性能、低成本、环境友好型的方向不断发展,而现代钢铁的工业生产以高等数学的应用最具特色。除了对炼铁高炉和炼钢中的转炉、钢包、中间包和结晶器等中所发生的气、液、固等多相多类流体的流动、传热、传质等进行大尺度的数学模拟,在下游工序如轧钢乃至产品应用也有大量的数学模型和仿真应用。如作为我国“卡脖子”技术清单中的高端轴承,国内生产的实物质量距离国际顶级水平有很大差距,而钢中的夹杂物与轴承疲劳寿命密切相关,因为在服役时常会在夹杂物处起裂。但是目前所生产的超洁净轴承钢中夹杂物数量和尺寸都很小,无法通过现有夹杂物评级国标标准来有效区分冶金质量,因此基于数学中的概率论模型,相继提出了统计极值(SEV)模型和帕累托(GPD)模型来解决这一问题,罗海文教授以兴澄轴承钢作为实际分析对象,将这种模型的评价结果与滚动接触疲劳寿命进行对比分析,总结出GPD法更符合生产实践且与疲劳寿命更相关。

最后,罗海文教授结合钢铁应用的发展历程,探讨了未来钢铁的替代品——钛合金。钛在地壳中的储量位居第九位,储备丰富,与此同时,钛合金还拥有着高比强、高耐蚀、高耐温、亲生物、记忆性和超导性的特点。但是,罗教授也指出了当前限制钛合金发展的两大原因,一为钛和氧结合力高,无法通过碳进行经济还原,导致冶炼获得金属的成本高昂;二为钛合金加工性能不如钢,难以做到广泛使用。因此,罗教授指出,在荒古时代点石成金的冶金巫术,在现代科学和数学的武装下,必将在未来钛合金发展中起着关键作用,承担着向更高层次文明发展的重任。

 

课程接近尾声,上海大学材料科学与工程学院董瀚院长为罗海文教授颁发荣誉证书,以感谢罗海文教授的讲解。