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【科研進(jìn)展】高強(qiáng)高韌超級(jí)鋼創(chuàng)世界紀(jì)錄

2020-12-04 11:47:26 作者：材料研究學(xué)報(bào) 來(lái)源：材料研究學(xué)報(bào) 分享至：

香港大學(xué)機(jī)械工程系黃明欣教授和美國(guó)伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Ritchie教授合作領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，成功突破超高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度-韌性組合極限，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)方面均達(dá)到史無(wú)前例的高水平。

傳統(tǒng)科學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為，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。2017年，黃明欣教授團(tuán)隊(duì)在高強(qiáng)度-高延展性組合上取得突破，在維持鋼材的超高強(qiáng)度下，仍然能精準(zhǔn)成型。現(xiàn)在，合作研究團(tuán)隊(duì)成功突破屈服強(qiáng)度-韌性組合極限，研發(fā)出同時(shí)具備極高屈服強(qiáng)度（~2GPa）、極佳韌性（102MPa m?）、良好延展性（19%的均勻延伸率）兼低成本的超級(jí)鋼。該超級(jí)鋼又稱(chēng)D&P鋼，因?yàn)槠渲谱鞣椒ú捎玫氖切滦妥冃闻浞址椒ǎ―eformed & Partitioned）。

當(dāng)前，工業(yè)生產(chǎn)鋼材的最高屈服強(qiáng)度是1.7GPa，最高韌性度未超過(guò)65MPa m?，裝甲運(yùn)兵車(chē)等軍用鋼材也在這個(gè)水平；琴弦鋼絲的屈服強(qiáng)度高達(dá)2.6-2.9GPa，但韌性非常低，很容易斷裂。與現(xiàn)有航空航天用馬氏體時(shí)效鋼（如Grade 300，其屈服強(qiáng)度和斷裂韌性分別是1.8GPa和70MPa m?）相比，D&P鋼的原材料成本卻只有馬氏體時(shí)效鋼的1/5。

合作研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，D&P鋼具有非常獨(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起的能量，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。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)性地提出高屈服強(qiáng)度誘發(fā)晶界分層開(kāi)裂增韌新機(jī)制，由此超高強(qiáng)鋼鐵材料斷裂韌性得到大幅提升。

D&P鋼不但解決了強(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。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。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和測(cè)試，把研發(fā)成果工業(yè)化和商品化。

相關(guān)研究工作發(fā)表在Science 。

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