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【研究进展】高强高韧超级钢创世界纪录

12月16日 12:00 分享到:

香港大学机械工程系黄明欣教授和美国伯克利国家实验室Ritchie教授合作领导的科研团队,成功突破超高强钢的屈服强度-韧性组合极限,在高端钢材要求的高强度、延展性和韧性三个重要指标方面均达到史无前例的高水平。

传统科学观点认为,金属的强度、延展性和韧性三种属性,有着此消彼长的关系。2017年,黄明欣教授团队在高强度-高延展性组合上取得突破,在维持钢材的超高强度下,仍然能精准成型。现在,合作研究团队成功突破屈服强度-韧性组合极限,研发出同时具备极高屈服强度(~2GPa)、极佳韧性(102MPa m½)、良好延展性(19%的均匀延伸率)兼低成本的超级钢。该超级钢又称D&P钢,因为其制作方法采用的是新型变形配分方法(Deformed & Partitioned)。

当前,工业生产钢材的最高屈服强度是1.7GPa,最高韧性度未超过65MPa m½,装甲运兵车等军用钢材也在这个水平;琴弦钢丝的屈服强度高达2.6-2.9GPa,但韧性非常低,很容易断裂。与现有航空航天用马氏体时效钢(Grade300,其屈服强度和断裂韧性分别是1.8GPa70MPam½)相比,D&P钢的原材料成本却只有马氏体时效钢的1/5

合作研究团队发现,D&P钢具有非常独特的断裂方式,在主裂纹下方形成很多微小裂纹,这些微小裂纹能有效吸收由外力引起的能量,从而大幅提高钢材的断裂韧性,远高于目前使用的钢材料。研究团队开创性地提出高屈服强度诱发晶界分层开裂增韧新机制,由此超高强钢铁材料断裂韧性得到大幅提升。

D&P钢不但解决了强度和韧性之间的矛盾,还具有制造方法简单及低成本等众多优势。D&P钢可通过轧制与热处理等工业界广泛使用的加工方法制造,无需额外复杂工序。研究成果为实现超级D&P钢的工业化应用往前迈进了一大步。团队计划与业界合作,首先在高强桥梁缆索、防弹衣和汽车弹簧等方面制作原型和测试,把研发成果工业化和商品化。

相关研究工作发表在Science

 

                         中科院武汉文献情报中心供稿