港大最新Science：晶界分層增強高強鋼的韌性

木文韜 3年前 (2020-06-19) 12919瀏覽

【引言】

為滿足經濟可持續發展的要求，工程應用中不斷追求輕質、經濟、性能優良的結構材料。然而，獲得高強度通常是以破壞韌性為代價的，這對于安全性至關重要的應用而言始終是主要關注點。結構金屬和合金的強化機制是建立在通過引入不同長度尺度的各種障礙物來抑制或阻止位錯滑移的基本原理上的。但是，大量的位錯糾纏在微小的缺陷中，會產生局部的應力集中，從而導致裂紋萌生，最終導致嚴重的失效。克服強度-韌性權衡的主流努力集中在定制微觀結構或通過固溶合金化設計材料上。由于變形誘導的納米孿晶機制，多元素高、中熵合金在低溫下具有特殊的損傷容限。馬氏體時效鋼是另一個例子，它被認為是航空航天應用中最強的金屬合金，具有可接受的損傷容限。然而，馬氏體時效鋼含有大量昂貴的合金元素，如鎳（17-19 wt %）、鈷（8-12 wt %）和鉬（3-5 wt %）。盡管馬氏體時效鋼的合金化策略是獲得優異機械性能的理想工具，但由于成本和環境方面的考慮，無法進行經濟的批量生產和回收。降低平均晶粒尺寸是提高強韌性組合的另一種非合金化途徑。然而，這種方法可能是有限的，因為強化通常是以失去延展性為代價實現的。

【成果簡介】

今日，在香港大學黃明欣教授和美國勞倫斯伯克利國家實驗室Robert O. Ritchie教授（共同通訊作者）團隊等人帶領下，超強鋼可以實現特殊的損傷容限，并采用簡單的成分和具有成本效益的加工路線進行制造。研究表明，提高屈服強度并不會對韌性產生不利影響，相反，它可以促進分層增韌機制的激活，從而大大提高了韌性。具體來說，超高屈服強度使得能夠在垂直于主斷裂表面的界面處形成第二斷裂模式，即分層裂紋。由于分層的發生，在斷裂面附近發展出多條分離的層狀韌帶，為斷裂提供了額外的能量釋放速率，同時也增強了裂紋尖鈍化，共同提高了整體的斷裂韌性。這種分層增韌與變形誘導塑性（TRIP）增韌相結合的增韌過程很少在結構材料中同時實現。這種組合使鋼材具有了強度、延展性和韌性的奇妙組合。相關成果以題為“Making ultrastrong steel tough by grain-boundary delamination”發表在了Science。

【圖文導讀】

圖1?鋼的微觀組織