具有超高強度的金屬材料通常應用于汽車、航空及國防工業(yè)，但在極高載荷等茍刻條件下應用的結構材料除了要求超高強度，通常也要求良好的延展性和韌性，以便能夠實現(xiàn)零部件精準成型，并可防止出現(xiàn)材料和部件的意外失效。然而，材料的強度和延展性之間常常是魚和熊掌的關系，通常的方法難以同時提高強度和延展性。比如陶瓷、非晶材料具有很高的硬度和強度，但幾乎沒有延展性。而如何通過工業(yè)上常用的加工工藝，獲得同時具有超高強度和高延展性的金屬材料，一直是科學界和工業(yè)界具有高度挑戰(zhàn)性的研發(fā)目標，尤其是屈服強度進入2GPa的超高范圍時，進一步改善材料延展性的難度幾乎是成倍提高。

    鋼鐵材料是人類社會使用量最大、使用歷史悠久的金屬材料，與其他金屬材料相比，其工業(yè)生產效率和自動化程度都要遠超過其他金屬材料，因此如何得到強韌性更高的超級鋼是人類社會進入鐵器時代以來孜孜以求的目標。2017年08月24日美國《Science》期刊發(fā)表了由京港臺三地的鋼鐵科學家發(fā)明的D&P超級鋼，就是這一從未停滯的夢想的一次成功嘗試，實現(xiàn)了屈服強度超過2GPa的鋼鐵材料延展性的顯著提升。這是北科大在超高強鋼領域又一次突破（查看：《Nature》北科大研制出2.2GPa超高強鋼！塑性良好，大幅削減成本。）

    論文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/early/2017/08/23/science.aan0177

    該超級鋼首先實現(xiàn)了力學性能上的巨大躍升，達到前所未有的2.2GPa屈服強度和16%的均勻延伸率。對比于現(xiàn)有的金屬材料，此次研發(fā)的D&P鋼具有最優(yōu)的強度和延展性的結合，在大部分屈服強度高于2.0GPa以上的金屬材料中，此次所研發(fā)的D&P鋼具有不可比擬的延展性（見下圖1）。

    圖1  D&P鋼與其它金屬材料的強度和延展性的對比，其具有最優(yōu)的強度和延展性的結果。

    除此之外，該鋼還有如下兩個優(yōu)點：1）合金成本較低。本發(fā)明的超級鋼是成分簡單的中錳鋼成分體系，含有10%錳，0.47%碳，2%鋁，0.7%釩（V）（質量百分比），這些都是現(xiàn)在廣泛使用的鋼材料中常見的合金元素，并沒有通過大量使用昂貴的合金元素來提高強韌性，圖2是該超級鋼與其它先進鋼材的成本比較。

    2）該鋼是通過工業(yè)界廣泛使用的加工工藝來制備，如熱軋、冷軋、熱處理等常規(guī)工業(yè)制備工藝，而不是采用那些難以規(guī)模化工業(yè)生產的特殊加工工藝來制備。因此，本發(fā)明的超級鋼，具備直接在鋼鐵企業(yè)進行百噸級規(guī)模的工業(yè)化生產的潛力。

    圖2 此次發(fā)明的超級鋼（D&P鋼）與其它鋼鐵材料原材料成本比較。

    該超級鋼的發(fā)明也是京港臺三地科學家精誠合作的典型成功范例。該研究通訊作者單位香港大學機械工程系的黃明欣博士團隊，一直致力于超高強度的金屬材料的新機理研究，在此次研究中，前瞻性地提出通過提高位錯密度可以同時實現(xiàn)提高強度和延展性的創(chuàng)新機理；而之前的經典理論中一直認為提高材料中的位錯密度只可以顯著提高強度，但會惡化材料的延展性。而該研究另一通訊作者單位的北京科技大學羅海文教授團隊則利用多年來在鋼鐵材料領域的加工經驗。尤其是自2010年在國家973基礎研究項目中就開始了第三代汽車用鋼中錳鋼的研發(fā)工作，之后在2014年又獲得國家自然科學基金委鋼鐵聯(lián)合基金重點項目的支持，持續(xù)對中錳鋼進入深入系統(tǒng)的研究，在該領域積累了豐富的經驗和知識。這些積累極大地幫助了這一全新的成分體系的設計及其加工工藝，并最終成功地在鋼材中引入了大量的可移動位錯。國立臺灣大學的顏鴻威團隊則通過材料的先進表征技術證實了該機理的正確性（圖3）。

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    圖3 所開發(fā)的D&P鋼組織形貌這項由香港大學、北京科技大學、國立臺灣大學、香港城市大學的青年科學家之間的通力合作的研究成果于2017年08月24日在美國著名期刊《Science》發(fā)表，文章題目為《D&P鋼中高位錯密度引起高延性》。論文通訊作者為香港大學黃明欣博士和北京科技大學羅海文博士，該論文作者為：B.B. He, B. Hu, H.W.Yen, G.J. Cheng, Z.K. Wang, H.W. Luo, M.X. Huang。……

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責任編輯：王元

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