鋼鐵材料：結構材料王座難保？

　　最近，中鋼協公布了上半年重點鋼企的“考試成績”，倒也在大家意料之中。作為”鋼鐵搖籃“的畢業生，對鋼鐵業的關注還是比較多的。上周末，與一位鋼鐵業從業人士談起了鋼鐵材料的。今天，就來聊聊結構材料老大的地位受到挑戰的故事吧。

　　所謂結構材料，是指用其力學性能制作受力物件的材料。它是我們日常生活遇見、接觸最主要的材料。能夠用于結構材料的并不是太多，主要是金屬材料、碳纖維等復合材料、工程塑料、結構陶瓷等等。

　　無可非議，長期以來占據結構材料王座是鋼鐵材料。它廣泛應用于建筑、機械、交通、能源、家用、軍工等領域，量大面廣。例如，根據中鋼協的估計，2014年鋼鐵產能將達到11億噸。整個鋼鐵行業的2012年營收就近9萬億，大約占整個工業的10%，其體量之大，可見一斑。鋼鐵經常被看做國家綜合國力和工業水平的最重要指標之一。所以，我國曾有“大煉鋼鐵”的瘋狂舉動。

　　為什么是鋼鐵材料，而不是鋁合金、鈦合金，或者工程塑料占據這個王座呢？一種材料的應用，有兩方面的考量——性能和成本。在某一領域，使用這種材料，一定是基于這兩個方面的考慮得到的最優結果。

　　鋼鐵的性能比較多樣化，能夠滿足各種領域的不同需求。它就像一個學生，各學科都不是最突出，但每一科都拿得出手，如果算起總分來，也就成了優等生。再加上它成本低廉的巨大優勢，能夠成為量大面廣的基礎材料，就不難理解了。此外，相當長時間內，人們并沒有比鋼鐵更好的結構材料可供選擇。鋁是二十世紀初、鈦合金是五十年代、碳纖維是六十年代才發展起來的。

　　不過，隨著時代的發展，結構材料已不再是鋼鐵一手遮天，而在朝著百花爭艷的局面轉化。這其中發生了怎樣的變化？因為人們的需求在發展，結構材料技術也在發展。

　　我們先以航空為例，這是一個對材料性能要求最嚴苛的領域。二戰時期，日本研發了一款新型飛機——零式飛機。在太平洋戰爭初期，零式戰斗機性能超過所有盟軍飛機，對盟軍空軍部隊造成了巨大的災難。它獲得成功最關鍵的秘訣在于住友金屬工業公司為其生產了一款比鋼還要硬的超硬鋁合金。正是這個超硬鋁合金，讓零式變得特別輕，得以速度快，航程遠。

　　顯然，航空結構材料除了力學方面的要求外，還追求輕質。那么航空業追求輕質到什么地步呢？法航在2008年宣布將乘客用來喝可樂的小塑料杯減重3.5g。只此一項，法航一年可減少20噸二氧化碳排放。印度某航空公司曾宣布今后只雇用體重較輕的女性為空乘人員，因為該男性雇員比女性重15-20公斤。這項改動每年為該公司節約300萬人民幣的燃油費用。

　　所以，盡管鋼鐵的力學性能能夠滿足要求，但由于比重過大，其在飛機結構材料應用比例正在逐步下降，甚至很罕見的從未占據過航空結構材料的主角。有數據顯示，鋼的使用從第二代飛機占結構重量的20％-30％，第三代飛機占8％-20％，到新一代飛機占5％-10％。雖然鋼可能不會從飛機上消失，但要想成為主角，已經不可能了。

　　即使是一步步蠶食鋼在航空領域地盤的鋁合金、鈦合金、復合材料之間，性能與成本之間的博弈，仍然會繼續下去。例如，目前成為飛機結構材料的主角的鋁合金，地位也受到了鈦合金的挑戰。鈦合金的質量更輕，強度更高，耐腐蝕性能更佳，在飛機中使用正在逐漸上升。而材料人網曾發布的《大飛機材料之爭：向左碳纖維 向右鋁鋰合金》，描述的就是碳纖維與鋁合金之間的爭奪飛機結構材料使用權。

　　汽車業是一個龐大的工業，產業鏈長、關聯度大，消費拉動作用和對鋼鐵、化工、石化、機械、電子等行業的帶動作用很大。有數據分析，中國每7個人，就有一個人的工作與汽車相關。在這個領域，鋼鐵材料的地盤同樣面臨著與鋁合金、復合材料、工程塑料爭奪戰。

　　自上個世紀二十年代發明了全金屬車身之后，鋼鐵就穩居車用材料的主導地位。對于汽車來說，鋼鐵擁有強度、延展性、抗沖撞能力、再循環使用以及低成本各方面的綜合優越性，是車用結構材料的最好選擇。汽車業也是鋼鐵業最大的需求行業之一，兩者相互促進，共同發展。

　　但是，歷經二次石油危機之后，讓汽車業認識到車輛輕量化是技術發展的主流。近年來石油價格的上漲，高油耗的車型逐漸不為消費者所青睞。再加上越來越受到重視的環境保護，也使得汽車業不得不朝著低油耗的方向發展。

　　減小汽車自重是汽車降低燃耗及減少排放的最有效措施之一。有分析數據指出，汽車質量每減少10%，可降低油耗6%-8%，排放下降4%。毫無疑問，在比重方面劣勢很大的鋼鐵不可避免的受到鋁合金、鎂合金以及復合材料、工程塑料的沖擊，下降最明顯的是生鐵和普碳鋼，而特殊鋼則保持了大體穩定的比例。

　　鋁合金就是蠶食鋼鐵地盤的有力競爭對手。國外調查公司Ducker Worldwide曾對市面上各類車型做過調查，發現目前鋼占汽車平均重量的58%，正在呈下降趨勢。但鋁合金占比已經達到了12%，且這個數字仍在繼續增長。Ducker Worldwide估計到2025年，鋼所占比將下降到46%。

　　不過與航空業相比，汽車的輕量化帶來的經濟效益比起成本增加來說并不是特別明顯。所以，輕合金、碳纖維沒有對鋼鐵形成巨大的優勢，為鋼鐵保住地盤留下了可能。

　　例如，以鋁代替鋼制造汽車可使汽車整車重量減輕30%-40%，發動機減重30%，輪轂減重30%，全車可減重40%，再加上其他輕量化結構設計，燃油經濟性提升幅度達18%。以福特新款全鋁車身皮卡為例，比鋼制車身足足輕了318千克。但同時，鋁又比鋼貴很多，不管是原料成本、加工成本還是裝配維修。曾有數據統計，一個鋁部件比傳統鋼部件成本高60%-80%。將鋼制車身換成鋁制車身，成本上浮50%-60%。顯然，這不是油耗降低所帶來的經濟利益能彌補的。至于環保效果，如果要多花幾萬塊的話，恐怕很多消費者會說：“臣妾做不到啊！”

　　但這并不代表鋼鐵就可以高枕無憂。目前世界各地政府對汽車排放的政策越來越嚴格，加上一路高歌的石油價格和潛在的石油危機，輕量化已不是可有可無的技術。

　　除了航空、汽車之外，3C、武器等領域也在發生著同樣的事情。正是這些變化，推動著輕合金、碳纖維、工程塑料向前發展。當然，這對于鋼鐵來說，也是絕好的機會。近些年出現的特殊鋼，在汽車、機械等方面，與這些新型材料還是可以一較長短的。

　　還有，游戲規則都變了，國內鋼企還繼續走老路，必然是作死。

　　最后，關于結構材料之間的廝殺，也讓我想起了一個廣為流傳的定理：”木桶定理“。木桶盛水的高度取決于短板的高度。鋼鐵材料就像是木板齊整的木桶，獲得了自己的輝煌。但在有特別需求的領域中，齊整的木桶反而成為了劣勢。對于我們材料人，可能就是博學與專攻之間的差別吧。