鋼鐵，可以說是人們最為常見的金屬之一。在上千年的歷史長河中，人們熟練地掌握了鋼鐵的冶煉與加工技術，使其成為人們生活中密不可分的一部分。時值今日，鋼鐵已經被廣泛地運用于各類建筑、基礎設施、機械、船舶、汽車等各色領域。在結構材料領域，鋼鐵也是當仁不讓的老大哥。

    但是，鋼鐵也有其“阿喀琉斯之踵”。鋼鐵這類金屬易被劃割而形成微小裂紋，這些微小裂紋如不加以限制，可能在鋼鐵內部擴展，最終將導致整塊結構材料斷裂失效。而這一“金屬疲勞”現象是 “鋼”結構件失效的最為常見的因素之一。麻省理工學院冶金學教授瑟末·塔桑（Cemal Cem Tasan）表示，“大部分材料的失效事故，是有由金屬疲勞引起。”

    “金屬疲勞”的定義是：金屬結構件因持續受到動態變化的應力而導致結構劣化，即使這樣的應力遠小于該金屬靜態下發生永久變形所需要的應力。

    舉個例子來說，在我們日常所乘坐的飛機上，機艙內在起飛與下降過程中常常伴有氣壓變化，這就導致機艙材料反復地膨脹收縮，從而可能造成金屬內部萌生出微小裂縫。而在長期這樣的周期性應力作用下，裂紋可能進一步增長，進而引發整個結構件的突然斷裂。

    事實上，金屬疲勞正是在早期航空史中，引發數起飛機失事的罪魁禍首。塔桑教授說道，“我們是否能設計出一種新材料，即使裂紋開始萌生之后，其微觀結構能夠有效地阻止其裂紋擴展？”

    
    近日，來自日本九州大學、德國馬克斯-普朗克研究所和美國麻省理工學院的研究人員從骨頭中汲取了靈感，開發出了一款擁有具有超高抗疲勞斷裂性能的“超級鋼鐵”。該研究結果發表于最近出版的《科學》雜志上（M. Koyama, et al. Science, 2017 （355）， 1055-1057）。

    實際上，避免金屬結構件材料因金屬疲勞而導致斷裂，一直是材料工程學家所面臨的棘手難題。

    然而，不盡如人意的是，工程師們在現階段常常只能采用了一種“治標不治本”的手段：在設計結構時，選擇一個較大的安全系數，進而留出一定的安全裕量——不可避免的是，此舉也增加了額外的成本與重量，也多多少少折射出工程師們的些許無奈：設計出一款具有超高抗疲勞性能的新型結構材料猶如無源之水，讓人無從著手。

    人骨的微觀結構及其阻止裂紋萌生的機理示意圖

    但是，大自然又一次賦予了研究人員以靈感。近些年來，科學家們逐漸注意到，人的骨頭具有優異的抗斷裂韌性。特別是考慮到人類骨頭的重量，這一輕質材料所擁有的出眾性能尤其令人矚目。

    科學家們已經發現，人類骨頭具有的超高韌性根源來自其具有的多層結構（Hierarchical structure）。在納米尺度上，細小的膠原纖維排列成板層狀，而不同的纖維板層又按著不同的方向排列生長。而在更大的微米級尺度上，這些緊密的纖維板層組成了形似晶格的密質骨。

    這些卓爾不群的結構特點使得人骨頭在保持輕質和強鍵的同時，還能阻止裂紋向各個方向進一步擴展。

    常見鋼鐵與“超級鋼鐵”顯微組織示意圖

    相比于目前已經商業化應用的普通鋼鐵而言，研究人員開發出的這款名義成分為Fe-9Mn-3Ni-1.4Al-0.01C （質量分數）超級鋼的微觀結構顯得獨樹一幟。這種超級鋼鐵集三大特點于一身：其一，含有多個合金相（由多于一個相構成）。其二，具有納米層片結構。其三，擁有亞穩相。

    在這種材料之中，萌生的裂紋尖端會誘發原奧氏體向馬氏體結構轉變。而由于這種轉變會引起體積膨脹，因而會在材料的內部形成殘余應力（壓力），進而能夠起到了粘合萌生裂紋的效果。通過調整奧氏體和馬氏體的相組成比例，從而既能很好的阻礙微裂縫的形成，又不至于引起新的缺陷。

    不僅如此，這一新超級鋼鐵還擁有具有不同硬度的多種合金成分。這樣一來，即使萌生了裂紋，它也將難以擴展，從而降低了這一絲絲小裂縫進一步生長的可能。

    除此之外，多個合金相組成的微觀結構使得材料的某些區域具有更好柔韌性，從而有助于吸收施加于鋼鐵上的周期性應力。在某些情況下，甚至還有可能彌合萌生的裂紋。如此一來，這款具有獨特的界面結構，相分布和相穩定性的超級鋼鐵能夠同時激活多個抵抗裂紋擴展機制。

    疲勞測試表明，與常規的鋼鐵（如鐵素體-馬氏體雙相鋼，納米層片的珠光體鋼和相變誘發塑性鋼）相比，這一款“超級鋼鐵”擁有明顯機械抗裂性能的提升。

    可以想象，在未來的某日，工程師們將有望把這種鋼材用于制作橋梁或者航空器材上，從而有效地避免因金屬疲勞導致裂紋萌生，亦或在始料未及的時刻突然引起構件斷裂失效的問題。

    雖然這一款超級鋼鐵已經橫空出世，但這次的材料設計中的飛躍，只能稱作“萬里長征的第一步”。本論文通訊作者之一的塔桑教授直言，在下一步，他們將尋求進一步擴大制備工藝，并探索商業化的可能。

    不過，與之前曾經報道過的同樣具有超高韌性的高熵合金和蠶絲相比，鋼鐵的加工與制備工藝要成熟得多。本文的第一作者，九州大學的材料系教授本道小山（Motomichi Koyama）表示，傳統的鋼鐵加工工藝應該能夠運用到這一材料之中。他很有信心的表示，“（與研發相比）材料的擴大化應該不是個大問題”。

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責任編輯：劉洋

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