MTS 810材料測(cè)試系統(tǒng)

黃明欣教授和博士生劉麗女士。「超級(jí)鋼」在抗斷裂能力獲得重大突破，令「超級(jí)鋼」在高端鋼材要求的高承重抗變形能力（強(qiáng)度）、伸延扭曲成型（延展性）和抗斷裂能力（韌性）三個(gè)重要指標(biāo)，均達(dá)到較高水平，目前沒(méi)有任何鋼材物料能及。

香港大學(xué)機(jī)械工程系黃明欣教授領(lǐng)導(dǎo)的「超級(jí)鋼」研發(fā)項(xiàng)目，繼于三年前在鋼材的延展性取得重大突破后，團(tuán)隊(duì)與美國(guó)柏克萊國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于5月8日在學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）合作發(fā)表的研究報(bào)告，在提升「超級(jí)鋼」的抗破裂折斷能力（韌性）也取得重大進(jìn)展。

今次的研究成果非常重要，令「超級(jí)鋼」在高端鋼材要求的高強(qiáng)度、延展性和韌性三個(gè)重要指標(biāo)，均達(dá)到較高水平，目前沒(méi)有任何鋼材物料能及。團(tuán)隊(duì)計(jì)劃與業(yè)界合作，首先在高強(qiáng)橋梁纜索、防彈衣和汽車(chē)彈簧等方面制作原型，進(jìn)行測(cè)試，有望把研發(fā)成果工業(yè)化和商品化。

黃明欣教授

鋼是日常普遍使用的合金材料，汽車(chē)、航空及國(guó)防等工業(yè)對(duì)金屬材料的要求，既要超高強(qiáng)度來(lái)大幅度提高結(jié)構(gòu)承重抗變形的能力（屈服強(qiáng)度），也要有良好的延展性（能伸延扭曲）和韌性（不容易折斷碎裂），讓零部件能夠精準(zhǔn)成型，并防止出現(xiàn)材料和部件意外失效的情況。傳統(tǒng)的科學(xué)觀點(diǎn)，金屬的強(qiáng)度、延展性和韌性三種屬性有著此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，即提升其中一種屬性的功能時(shí)，其余的一或兩種會(huì)相應(yīng)降低，三者無(wú)法俱得。

MTS 647 液壓夾具

「超級(jí)鋼」經(jīng)儀器測(cè)試抗斷裂能力

黃教授團(tuán)隊(duì)的「超級(jí)鋼」研究，早前在高強(qiáng)度和高延展性的組合上突破極限，在維持鋼材的超高強(qiáng)度下，仍然能精準(zhǔn)成型，今次進(jìn)一步針對(duì)強(qiáng)度和韌性這個(gè)艱難組合，取得突破。

團(tuán)隊(duì)和柏克萊大學(xué)、美國(guó)勞倫斯柏克萊國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Robert O. Ritchie教授的團(tuán)隊(duì)合作，成功突破超高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度 - 韌性組合極限，研發(fā)出同時(shí)具備較高屈服強(qiáng)度（~2GPa）、較佳韌性（102MPam?）、良好延展性（19%的均勻延伸率）兼低成本的「超級(jí)鋼」（又稱(chēng)D&P鋼，因?yàn)槠渲谱魇峭ㄟ^(guò)嶄新的「變形及配分」Deformed & Partitioned 簡(jiǎn)稱(chēng)為D&P的方法））（見(jiàn)圖1和圖2）。

圖1（A）D&P鋼的三維立體組織結(jié)構(gòu)；（B） 三維圖解模型展示了D&P鋼的獨(dú)特片層狀結(jié)構(gòu)。

圖2（A）工程應(yīng)力應(yīng)變曲線 和（B）J-積分阻力曲線。展示了D&P鋼同時(shí)具有較高的屈服強(qiáng)度、韌性、延展性。（C）D&P鋼的斷口形貌：其斷面有大量不同尺度的晶界開(kāi)裂裂紋。

在工業(yè)應(yīng)用上，高端的鋼材必須具備良好的斷裂韌性，即抵抗斷裂的能力，除耐用外更重要是避免構(gòu)件提前失效導(dǎo)致意外。一直以來(lái)，提升鋼材強(qiáng)度往往會(huì)降低其韌性，導(dǎo)致材料脆性增加，而有關(guān)的研究工作相當(dāng)艱巨，因?yàn)楫?dāng)強(qiáng)度進(jìn)入超高范圍時(shí)，進(jìn)一步改善材料韌性的難度將以倍增。

目前，工業(yè)生產(chǎn)鋼材1.7GPa已屬很高的屈服強(qiáng)度，應(yīng)用于橋梁纜索，其韌性度最高也未能超越65MPa?m?，用于裝甲運(yùn)兵車(chē)等軍用鋼材，也僅在這個(gè)水平。琴弦的鋼絲，屈服強(qiáng)度高達(dá)2.6 - 2.9GPa以維持音準(zhǔn)，但韌性非常低，因而容易斷裂。

黃明欣教授展示一片「超級(jí)鋼」，輕薄的鋼料具備超強(qiáng)的抗斷裂能力（韌性）、承重抗變形能力（強(qiáng)度）及延展性。

因此，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的D&P鋼，在維持高硬度下，其斷裂韌性超越現(xiàn)有鋼材，目前未有任何工業(yè)應(yīng)用的鋼材能及。其效能也比現(xiàn)有航空航天用的馬氏體時(shí)效鋼（例如 Grade 300，其屈服強(qiáng)度和斷裂韌性分別是1.8 GPa和70 MPa? m?）為高，而成本卻只有其5分之1。（見(jiàn)圖3）

圖3 D&P鋼與其它結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度-均勻延伸率及屈服強(qiáng)度-斷裂韌性對(duì)比，其具有較優(yōu)的屈服強(qiáng)度、均勻延伸率和斷裂韌性的結(jié)合。

在科學(xué)層面，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)D&P鋼材具有非常獨(dú)特的斷裂方式 - 在主裂紋下方形成很多微小裂紋，這些微小裂紋能有效吸收由外力引致的能量，從而大幅提高鋼材的斷裂韌性，遠(yuǎn)高于目前使用的鋼材料。團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)性地提出「晶界分層開(kāi)裂增韌」- 通過(guò)增加材料屈服強(qiáng)度以啟動(dòng)新的增韌機(jī)制，大幅提高鋼材料的韌性。

「超級(jí)鋼」展示韌性 （102MPa?m?）

「為了滿足可持續(xù)性發(fā)展的需求，全球工業(yè)界一直致力于開(kāi)發(fā)及應(yīng)用高強(qiáng)高韌的輕質(zhì)、低成本新型結(jié)構(gòu)材料。D&P鋼不單解決了強(qiáng)度和韌性之間的矛盾，還具有制造方法簡(jiǎn)單及低成本等眾多優(yōu)勢(shì)。D&P鋼可通過(guò)軋制與熱處理等工業(yè)界廣泛使用的加工方法制造，無(wú)需額外復(fù)雜工序。」論文第一作者、黃明欣教授的博士生劉麗女士說(shuō)。

黃教授說(shuō)：「今次進(jìn)一步開(kāi)發(fā)超級(jí)D&P鋼達(dá)至極高的韌性，而高韌性是工業(yè)化應(yīng)用的前提條件，研究成果為實(shí)現(xiàn)超級(jí)D&P鋼的工業(yè)化應(yīng)用往前邁進(jìn)了一大步。這新超級(jí)鋼材具備潛力，應(yīng)用于制造高級(jí)防彈衣、高強(qiáng)橋梁纜索、汽車(chē)及裝甲運(yùn)兵車(chē)的輕量化、航空航天領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域的高強(qiáng)螺栓和螺母等多方面。」