超强超强贝氏体

本-钢是一种用途广泛的金属，几个世纪以来的试错桶化学给了我们各种各样的钢合金，能够执行我们设定的每一项任务。因此，当你听到钢铁仍然可以以以前没有想到的特性给我们带来惊喜时，你可能会感到惊讶。在剑桥大学发明超级贝氏体的Harry Bhadeshia教授将为我们介绍一种新型钢材，即超强超级贝氏体。哈里，非常感谢你来参加我们的节目。

哈利——这是我的荣幸。

本:那么，告诉我们这种新型钢材有什么特别之处?

哈利:嗯，大多数钢本质上是结晶的，所以如果你观察它们在显微镜下，你会发现非常细小的晶体，通常只有百万分之一米大小。现在，你把这些晶体做得越精细，材料就会变得越坚固，也越坚硬。所以，韧性是材料在受到撞击时吸收能量的能力，否则，当有东西撞击它时，材料就不安全了。所以，我们的想法是让晶体变得非常精细，它们实际上比碳纳米管还要细。也就是十亿分之一米的大小。

本:那你是怎么做到的呢?如何控制这些晶体的大小呢?

Harry -我们发现，如果我们在足够低的温度下在实心钢中生长晶体，那么它们会长得非常细。所以在这种情况下，我们对钢进行热处理，温度与你烹饪披萨的温度相同。唯一的问题是我们需要把钢在200°C的温度下保存10天。所以这是一个很长的烹饪过程，在200°C左右。

本:这一切都是关于热处理还是你添加了额外的合金元素来赋予它这些特性?

我们特别添加了硅来阻止有害晶体的生长。所以，有一些晶体不利于韧性，其中之一就是碳化铁。如果加入适量的硅碳化物离子的形成就会被抑制。

所以，我们认为钢或者至少从外行的角度来看，我认为钢就是铁和碳，但很明显，它比这更复杂。有多少不同的元素形成超级贝氏体?

哈里:我们至少添加了十种不同的溶质。除了硅，我们还添加了钼，因为当我们商业化生产钢铁时，我们无法控制某些杂质，而钼就像一种清除剂，它能清除那些杂质，从而阻止它们对钢铁造成伤害。我们有铬和锰来阻止高温下发生的其他反应。所以这是一种精心设计的钢材。

几个世纪以来，人们一直在用化学方法来制造更好的钢，但你的技术更科学一些?

哈利——部分正确。所以我们要做的是首先从计算开始，尽我们所能，然后做实验来验证计算。如果它们不正确，我们再次进入那个循环。这是一种更好的方法因为我们在实现目标的同时也在发展理论。

说到理论，是什么让微小的晶体赋予了它这些特性?晶体结构如何影响最终性能?

所以，如果我们在相同的体积内包装大量的晶体，那么你就会在晶体之间呈现出许多变形的边界。晶体做得越细，在给定的体积内，晶体之间的表面积就越大。这使得它很难变形。例如，超级贝氏体的强度是一平方米能够支撑25亿个苹果的重量这就是我们所说的2.5千兆帕的强度。因为烹饪过程非常缓慢，我们可以制造出非常大的尺寸和大量的钢。所以它已经生产了数千吨。

本:我们之前在节目中采访过劳斯莱斯公司的人，他们谈到了他们是如何制造喷气式发动机叶片的，比如，他们是如何用一个单晶形成叶片的。很明显，它没有这些晶界，但是，这在喷气发动机内部完成了一项了不起的任务。这是一种权衡吗?有晶界是一件事，没有晶界是另一件事吗?

晶界在室温下很容易获得强度，比如说，200或300摄氏度，但是当温度升高，大约500摄氏度时，晶界内部会有一些空间，这些空间不在晶体内部。所以原子可以很容易地在边界内移动。这意味着如果你在1400°C下操作涡轮叶片，它会变得越来越长，所以在这种情况下，我们真的不希望晶体之间有任何界限，最好是用单晶来制造叶片。

所以，你有这些难以置信的小晶体，给你所有这些巨大的表面积的边界，给你这些独特的现象性质。你怎么看待超级贝氏体的应用?你认为它在什么地方最有用?

哈利:那我就把优点和缺点都告诉你。好处是我们可以在三个维度上都做得这么大只需要非常简单的热处理。而且钢铁本身的制造成本也很低。它没什么特别贵的。因此，在任何需要强度和韧性结合的应用中，这都是完美的。比如轴，盔甲和轴承图灵会讲到。它的缺点是，因为它太坚固了，所以不能焊接。例如，我不能用它造一座桥。大型结构确实需要在某个点上连接起来，而这种材料目前还不能焊接。我们正在非常努力地进行研究，以找到一种不破坏晶体精细尺度的连接方法。 We haven't found it yet, but you know, this is science, right?

本，我对连接金属的方式所知甚少，给我的印象是，仅仅讨论如何将两块金属连接在一起，至少还需要一个小时的讨论!

哈利——当然。

本:嗯，非常感谢你，哈利。这是剑桥大学的Harry Bhadeshia教授。