探索超高强度金属材料在汽车航空国防工业中的应用与挑战

【广东省不锈钢材料与制品协会】金属材料若具有超高强度，一般会应用于汽车、航空及国防工业。然而，在极高载荷等苛刻条件下应用的结构材料，除了需要超高强度外，通常还要求具备良好的延展性和韧性，这样才能实现零部件的精准成型，并且可以防止材料和部件出现意外失效的情况。然而，材料的强度和延展性存在着一种特殊的关系，就如同鱼和熊掌难以兼得一样。通常的方法很难做到同时提升强度和延展性。例如，陶瓷以及非晶材料，它们具备很高的硬度和强度，然而却几乎不具备延展性。如何通过工业常用的加工工艺来获得金属材料，使其同时具备超高强度和高延展性，这一直是科学界和工业界极具挑战性的研发目标。尤其是当屈服强度进入 2GPa 的超高范围时，进一步提升材料延展性的难度几乎会成倍增加。

钢铁材料是人类社会使用量最大的金属材料，其使用历史悠久。与其他金属材料相比，钢铁材料的工业生产效率更高，自动化程度也更高。所以，如何得到强韧性更高的超级钢，是人类社会进入铁器时代以来一直努力追求的目标。2017 年 08 月 24 日，美国的《Science》期刊发表了一种由京港台三地的钢铁科学家发明的 D&P 超级钢。这是那个从未停滞的梦想的一次成功尝试，它实现了屈服强度超过 2GPa 的钢铁材料延展性的显著提升。

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该超级钢首先在力学性能方面实现了巨大的跃升。它达到了 2.2GPa 的屈服强度和 16%的均匀延伸率，这是前所未有的。与现有的金属材料相比，此次研发的 D&P 钢具有最优的强度和延展性的结合。在大部分屈服强度高于 2.0GPa 的金属材料中，此次所研发的 D&P 钢具有不可比拟的延展性（见下图 1）。

图 1 展示了 D&P 钢与其他金属材料在强度和延展性方面的对比情况，结果表明 D&P 钢具有最优的强度和延展性。

该钢还有以下两个优点：其一，合金成本较低。本发明的超级钢属于成分简单的中锰钢成分体系，其中含有 10%的锰、0.47%的碳、2%的铝以及 0.7%的钒（V），这些元素在现在广泛使用的钢材料中较为常见，并非通过大量使用昂贵的合金元素来提升强韧性。图 2 展示了该超级钢与其他先进钢材的成本对比。

该钢是用工业界广泛运用的加工工艺来制备的，像热轧、冷轧以及热处理等常规工业制备工艺。并非是采用那些难以进行规模化工业生产的特殊加工工艺来制备。所以，本发明的超级钢，具有能够在钢铁企业直接进行百吨级规模工业化生产的潜能。

图 2 展示了此次发明的超级钢（D&P 钢）与其他钢铁材料在原材料成本方面的比较。

该超级钢的发明也是京港台三地科学家精诚合作的典型成功范例。香港大学机械工程系的该研究通讯作者单位的黄明欣博士团队，一直都在进行超高强度金属材料新机理的研究。在这次研究当中，他们具有前瞻性地提出，通过提升位错密度，能够同时达成提高强度和延展性的创新机理。然而，在之前的经典理论里，一直认为提升材料中的位错密度仅仅可以大幅度提高强度，但是却会让材料的延展性变差。

北京科技大学罗海文教授团队是该研究另一通讯作者单位的成员，他们利用多年来在钢铁材料领域所积累的加工经验。2010 年开始在国家 973 基础研究项目中进行第三代汽车用钢中锰钢的研发工作。2014 年又获得国家自然科学基金委钢铁联合基金重点项目的支持。持续对中锰钢进行深入系统的研究。在该领域积累了丰富的经验和知识。这些积累对这一全新的成分体系的设计及其加工工艺有很大帮助，最终成功地在钢材中引入了大量的可移动位错。国立台岛大学的颜鸿威团队借助材料的先进表征技术证实了该机理是正确的（图 3）。

图3 所开发的D&P钢组织形貌

香港大学、北京科技大学、国立台岛大学以及香港城市大学的青年科学家们通力合作，这项研究成果于 2017 年 08 月 24 日在美国著名期刊《Science》上发表，文章题目是《D&P 钢中高位错密度引起高延性》。香港大学的黄明欣博士是论文的通讯作者之一，北京科技大学的罗海文博士也是论文的通讯作者之一。该论文的作者有：B.B. He、B. Hu、H.W.Yen。