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【科研進展】高強高韌超級鋼創世界紀錄

2020-12-04 11:47:26 作者：材料研究學報來源：材料研究學報分享至：

香港大學機械工程系黃明欣教授和美國伯克利國家實驗室Ritchie教授合作領導的科研團隊，成功突破超高強鋼的屈服強度-韌性組合極限，在高端鋼材要求的高強度、延展性和韌性三個重要指標方面均達到史無前例的高水平。

傳統科學觀點認為，金屬的強度、延展性和韌性三種屬性，有著此消彼長的關系。2017年，黃明欣教授團隊在高強度-高延展性組合上取得突破，在維持鋼材的超高強度下，仍然能精準成型。現在，合作研究團隊成功突破屈服強度-韌性組合極限，研發出同時具備極高屈服強度（~2GPa）、極佳韌性（102MPa m?）、良好延展性（19%的均勻延伸率）兼低成本的超級鋼。該超級鋼又稱D&P鋼，因為其制作方法采用的是新型變形配分方法（Deformed & Partitioned）。

當前，工業生產鋼材的最高屈服強度是1.7GPa，最高韌性度未超過65MPa m?，裝甲運兵車等軍用鋼材也在這個水平；琴弦鋼絲的屈服強度高達2.6-2.9GPa，但韌性非常低，很容易斷裂。與現有航空航天用馬氏體時效鋼（如Grade 300，其屈服強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效鋼的1/5。

合作研究團隊發現，D&P鋼具有非常獨特的斷裂方式，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，遠高于目前使用的鋼材料。研究團隊開創性地提出高屈服強度誘發晶界分層開裂增韌新機制，由此超高強鋼鐵材料斷裂韌性得到大幅提升。

D&P鋼不但解決了強度和韌性之間的矛盾，還具有制造方法簡單及低成本等眾多優勢。D&P鋼可通過軋制與熱處理等工業界廣泛使用的加工方法制造，無需額外復雜工序。研究成果為實現超級D&P鋼的工業化應用往前邁進了一大步。團隊計劃與業界合作，首先在高強橋梁纜索、防彈衣和汽車彈簧等方面制作原型和測試，把研發成果工業化和商品化。

相關研究工作發表在Science 。

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