如何通过工业加工工艺获得超高强度和高延展性的金属材料？

研究背景

超高强度的金属材料通常用于汽车、航空和国防工业，但在极高载荷等苛刻条件下使用的结构材料不仅需要超高强度，还需要良好的延展性和韧性，以便零件能够精确成形并防止材料和部件的意外失效。然而，材料的强度和延展性往往处于权衡之中，用常规方法很难同时提高强度和延展性。例如，陶瓷和非晶态材料具有很高的硬度和强度，但几乎没有延展性。如何通过常用的工业加工技术获得同时具有超高强度和高延展性的金属材料一直是科学界和工业界极具挑战性的研发目标，特别是当屈服强度进入2GPa的超高范围时，进一步提高材料延展性的难度几乎增加了一倍。如何获得强度和韧性更高的超级钢一直是人类社会进入铁器时代以来一直追求的目标。

成就

2017年8月24日，美国《科学》杂志发表了香港大学、北京科技大学、台湾大学和香港城市大学青年科学家共同努力的研究成果，文章题目为《D&P钢中高位错密度导致高延展性》。论文通讯作者为香港大学黄明欣博士和北京科技大学罗海文博士，论文作者为：BB He, B. Hu, HWYen, GJ Cheng, ZK Wang, HW Luo, MX Huang。

该超级钢首先在力学性能上实现了巨大飞跃，达到了前所未有的2.2GPa屈服强度和16%均匀伸长率。与现有金属材料相比，此次开发的D&P钢具有最佳的强度和延展性组合。在大多数屈服强度在2.0GPa以上的金属材料中，此次开发的D&P钢具有无可比拟的延展性。

此外该钢还具有以下两大优点：

1)合金成本低。本发明的超级钢是简单的中锰钢成分体系，含有10％锰、0.47％碳、2％铝和0.7％钒（V）（质量百分比），这些是广泛使用的钢铁材料中的常见合金元素。它不会通过使用大量昂贵的合金元素来增加强度和韧性。下图是超级钢与其他先进钢的成本比较。

2)该钢材采用的是工业上广泛应用的热轧、冷轧、热处理等常规工业生产工艺，而不是采用难以工业化规模化生产的特殊加工工艺，因此本发明的超级钢具有在钢铁企业直接实现数百吨级工业化生产的潜力。

这种超级钢的发明，也是京港台三地科学家精诚合作的一个典型成功范例。该研究的通讯作者香港大学机械工程系黄明新博士团队，一直致力于超高强度金属材料新机制的研究。在这项研究中，他们前瞻性地提出了一种通过增加位错密度来同时提高强度和延展性的创新机制；而此前的经典理论一直认为，增加材料中的位错密度只能显著提高强度，但会恶化材料的延展性。该研究的另一位通讯作者北京科技大学罗海文教授团队，利用他们在钢铁材料领域的多年加工经验，特别是从2010年开始，在国家973基础研究项目中就开始了第三代汽车用中锰钢的研发。 随后，2014年又获得国家自然科学基金钢铁联合基金重点项目的支持，继续对中锰钢进行深入、系统的研究，积累了该领域的丰富经验和知识。这些积累对这种新成分体系的设计及其加工工艺有很大帮助，最终成功地在钢中引入了大量可动位错。台湾大学颜宏伟团队通过先进的材料表征技术，证实了这一机制的正确性。

如需查看 2017 年 8 月 24 日发表在《科学》杂志上的这项研究的全文（题为“高位错密度导致 D&P 钢的高延展性”），请访问：

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本文编译自《超级钢铁》

来源 | 超级钢铁公众号

艺术编辑 | 韩百里

校对 | 烛光下的莎拉