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  • MTS助力港大「超级钢」研发项目再次取得重大突破

    阅读:1736        发布时间:2020/5/20
      

    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。

    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。

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    「超级钢」经必威客户端测试抗断裂能力

    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(102MPam½)、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)。


    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。

    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?m½,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。

    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? m½)为高,而成本却只有其5分之1。(见图3)

    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。

    「超级钢」展示韧性 (102MPa?m½)

    「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。

     

    团队在《科学》发表,题为《晶界分层断裂实现超高强钢增韧》的论文从下方获取。

     

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