【引言】

為滿足經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的要求，工程應(yīng)用中不斷追求輕質(zhì)、經(jīng)濟、性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料。然而，獲得高強度通常是以破壞韌性為代價的，這對于安全性至關(guān)重要的應(yīng)用而言始終是主要關(guān)注點。結(jié)構(gòu)金屬和合金的強化機制是建立在通過引入不同長度尺度的各種障礙物來抑制或阻止位錯滑移的基本原理上的。但是，大量的位錯糾纏在微小的缺陷中，會產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致裂紋萌生，最終導(dǎo)致嚴重的失效。克服強度-韌性權(quán)衡的主流努力集中在定制微觀結(jié)構(gòu)或通過固溶合金化設(shè)計材料上。由于變形誘導(dǎo)的納米孿晶機制，多元素高、中熵合金在低溫下具有特殊的損傷容限。馬氏體時效鋼是另一個例子，它被認為是航空航天應(yīng)用中最強的金屬合金，具有可接受的損傷容限。然而，馬氏體時效鋼含有大量昂貴的合金元素，如鎳（17-19 wt %）、鈷（8-12 wt %）和鉬（3-5 wt %）。盡管馬氏體時效鋼的合金化策略是獲得優(yōu)異機械性能的理想工具，但由于成本和環(huán)境方面的考慮，無法進行經(jīng)濟的批量生產(chǎn)和回收。降低平均晶粒尺寸是提高強韌性組合的另一種非合金化途徑。然而，這種方法可能是有限的，因為強化通常是以失去延展性為代價實現(xiàn)的。

【成果簡介】

今日，在香港大學(xué)黃明欣教授和美國勞倫斯伯克利國家實驗室Robert O. Ritchie教授（共同通訊作者）團隊等人帶領(lǐng)下，超強鋼可以實現(xiàn)特殊的損傷容限，并采用簡單的成分和具有成本效益的加工路線進行制造。研究表明，提高屈服強度并不會對韌性產(chǎn)生不利影響，相反，它可以促進分層增韌機制的激活，從而大大提高了韌性。具體來說，超高屈服強度使得能夠在垂直于主斷裂表面的界面處形成第二斷裂模式，即分層裂紋。由于分層的發(fā)生，在斷裂面附近發(fā)展出多條分離的層狀韌帶，為斷裂提供了額外的能量釋放速率，同時也增強了裂紋尖鈍化，共同提高了整體的斷裂韌性。這種分層增韌與變形誘導(dǎo)塑性（TRIP）增韌相結(jié)合的增韌過程很少在結(jié)構(gòu)材料中同時實現(xiàn)。這種組合使鋼材具有了強度、延展性和韌性的奇妙組合。相關(guān)成果以題為“Making ultrastrong steel tough by grain-boundary delamination”發(fā)表在了Science。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 鋼的微觀組織

圖2 鋼的拉伸和斷裂性能

圖3 鋼中的增韌機理

圖4 斷裂韌性與屈服強度的Ashby圖

文獻鏈接：Making ultrastrong steel tough by grain-boundary delamination（Science，2020，DOI:10.1126/science.aba9413）