钢铁与其他金属材料相比，其工业生产效率和自动化程度都远超过其他金属材料。数据统计表明，2020年我国的粗钢产量首次突破了10亿吨，占比全世界钢铁产量56%，连续3年实现了钢铁产量超过全球总量50%。

伴随着我国各个领域建设的不断发展，对于超高强度、良好延展性的优质钢铁材料，需求量也在加大，特别是汽车、航空、国防工业对金属材料既要求超高强度，也要求具有良好的延展性，以便零部件能够精准成型及防止结构件突然失效。然而，金属材料的强度和延展性之间常常呈现出此消彼长的负相关关系。运用现在工业常用的简单方法，获得同时具有超高强度和高延展性的金属材料，一直是科学界和工业界具有高度挑战性的课题。

2017年，香港大学黄明欣教授团队提出了“位错工程”这一新的合金设计理念，克服了金属材料的强度和延展性之间的矛盾，得到了具有超高屈服强度和高延展性的钢铁，大大促进了钢铁行业的发展。

基于这一理念，我们通过研究获得了2200兆帕的屈服强度和16%均匀延伸率的超级钢。这类超级钢是中锰钢经变形及配分工艺而得到的高强度钢，由马氏体基体和约15%在马氏体晶界上的条状奥氏体构成，也称变形及配分钢。该成果已发表在《科学》期刊上。

“位错”是广泛存在于金属材料中的一种线缺陷，在1立方厘米的金属材料中，可获得绕地球一圈长度的“位错”线。“位错”的运动犹如自然界中毛毛虫的爬行。在密密麻麻的“位错”中，只有大量可动“位错”的运动，犹如活泼的毛毛虫朝一个方向爬行，才能引起金属材料的宏观变形。密密麻麻的“位错”形成了一定的“位错”密度，即每单位平方米中的“位错”线长度。传统的冶金学认为，通过提升金属材料中“位错”密度促进“位错”之间的相互作用，抑制可动“位错”的运动，可提升金属材料的强度，但同时会急剧降低延展性。

在超级钢的研究中，我们发现由马氏体相变引入的高“位错”密度，可以同时引起高强度和高延展性，进而成功研发出克服上述强度和延展性之间矛盾的超级钢。

相较于广泛应用于汽车工业的双相钢和淬火—配分钢，以及应用于航空、国防工业的马氏体时效钢，全新的超级钢不仅具有更高的强度，而且拥有更好的均匀延伸率。对比于现有的金属材料，超级钢具有最佳的强度和延展性的结合，在大部分屈服强度高于2000兆帕的金属材料中，超级钢具有不可比拟的延展性。

基于“位错”工程理念设计的超级钢，还有合金成本低及制造方法简单两大优点。超级钢原材料成本只有现在航空、国防工业用钢材的五分之一左右，主要成分也只是含锰、碳、铝、钒等的中锰钢，这些都是现在广泛使用的钢铁材料中常见的合金元素。此外，超级钢可以通过在工业界广泛使用的加工方法来制造，如热轧、温轧、冷轧、热处理等常规工业制作方法，具备巨大潜力，可以直接在钢铁企业进行规模工业化生产。

“位错工程”理念的提出，将进一步优化高强钢的组织结构，提升其力学性能，并服务于第三代先进高强钢的制备、组织优化和性能调控。

（作者系南方科技大学机械与能源工程系副教授）