重大突破,香港大学研发超级钢,可用于轻型汽车/军用车辆等
2020-06-03 13:55:56 作者:本网整理 来源:热处理生态圈 分享至:

640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

MTS 810材料测试系统


黄明欣教授和博士生刘丽女士。「超级钢」在抗断裂能力获得重大突破,令「超级钢」在高端钢材要求的高承重抗变形能力(强度)、伸延扭曲成型(延展性)和抗断裂能力(韧性)三个重要指标,均达到较高水平,目前没有任何钢材物料能及。


香港大学机械工程系黄明欣教授领导的「超级钢」研发项目,继于三年前在钢材的延展性取得重大突破后,团队与美国柏克莱国家实验室于5月8日在学术期刊《科学》(Science)合作发表的研究报告,在提升「超级钢」的抗破裂折断能力(韧性)也取得重大进展。


今次的研究成果非常重要,令「超级钢」在高端钢材要求的高强度、延展性和韧性三个重要指标,均达到较高水平,目前没有任何钢材物料能及。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,进行测试,有望把研发成果工业化和商品化。

640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

黄明欣教授


钢是日常普遍使用的合金材料,汽车、航空及国防等工业对金属材料的要求,既要超高强度来大幅度提高结构承重抗变形的能力(屈服强度),也要有良好的延展性(能伸延扭曲)和韧性(不容易折断碎裂),让零部件能够精准成型,并防止出现材料和部件意外失效的情况。传统的科学观点,金属的强度、延展性和韧性三种属性有着此消彼长的关系,即提升其中一种属性的功能时,其余的一或两种会相应降低,三者无法俱得。

640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

MTS 647 液压夹具

「超级钢」经仪器测试抗断裂能力


黄教授团队的「超级钢」研究,早前在高强度和高延展性的组合上突破极限,在维持钢材的超高强度下,仍然能精准成型,今次进一步针对强度和韧性这个艰难组合,取得突破。


团队和柏克莱大学、美国劳伦斯柏克莱国家实验室的Robert O. Ritchie教授的团队合作,成功突破超高强钢的屈服强度 - 韧性组合极限,研发出同时具备较高屈服强度(~2GPa)、较佳韧性(102MPam?)、良好延展性(19%的均匀延伸率)兼低成本的「超级钢」(又称D&P钢,因为其制作是通过崭新的「变形及配分」Deformed & Partitioned 简称为D&P的方法))(见图1和图2)。

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

图1(A)D&P钢的三维立体组织结构;(B) 三维图解模型展示了D&P钢的独特片层状结构。

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

图2(A)工程应力应变曲线 和(B)J-积分阻力曲线。展示了D&P钢同时具有较高的屈服强度、韧性、延展性。(C)D&P钢的断口形貌:其断面有大量不同尺度的晶界开裂裂纹。


在工业应用上,高端的钢材必须具备良好的断裂韧性,即抵抗断裂的能力,除耐用外更重要是避免构件提前失效导致意外。一直以来,提升钢材强度往往会降低其韧性,导致材料脆性增加,而有关的研究工作相当艰巨,因为当强度进入超高范围时,进一步改善材料韧性的难度将以倍增。


目前,工业生产钢材1.7GPa已属很高的屈服强度,应用于桥梁缆索,其韧性度最高也未能超越65MPa?m?,用于装甲运兵车等军用钢材,也仅在这个水平。琴弦的钢丝,屈服强度高达2.6 - 2.9GPa以维持音准,但韧性非常低,因而容易断裂。

640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

黄明欣教授展示一片「超级钢」,轻薄的钢料具备超强的抗断裂能力(韧性)、承重抗变形能力(强度)及延展性。


因此,团队研发的D&P钢,在维持高硬度下,其断裂韧性超越现有钢材,目前未有任何工业应用的钢材能及。其效能也比现有航空航天用的马氏体时效钢(例如 Grade 300,其屈服强度和断裂韧性分别是1.8 GPa和70 MPa? m?)为高,而成本却只有其5分之1。(见图3)

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

图3 D&P钢与其它结构材料的屈服强度-均匀延伸率及屈服强度-断裂韧性对比,其具有较优的屈服强度、均匀延伸率和断裂韧性的结合。


在科学层面,团队发现D&P钢材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致的能量,从而大幅提高钢材的断裂韧性,远高于目前使用的钢材料。团队开创性地提出「晶界分层开裂增韧」- 通过增加材料屈服强度以启动新的增韧机制,大幅提高钢材料的韧性。

640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

「超级钢」展示韧性 (102MPa?m?)


「为了满足可持续性发展的需求,全球工业界一直致力于开发及应用高强高韧的轻质、低成本新型结构材料。D&P钢不单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。」论文第一作者、黄明欣教授的博士生刘丽女士说。


黄教授说:「今次进一步开发超级D&P钢达至极高的韧性,而高韧性是工业化应用的前提条件,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。这新超级钢材具备潜力,应用于制造高级防弹衣、高强桥梁缆索、汽车及装甲运兵车的轻量化、航空航天领域、建筑领域的高强螺栓和螺母等多方面。」

免责声明:本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有,如果涉及侵权,请第一时间联系本网删除。