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钢铁再发《Science》!港大黄明欣等人开发出创世界纪录的超级钢

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导读:材料的强度和韧性往往不可兼得,尤其是屈服强度超过2 GPa时难度成倍增加。港大黄明欣等人首次提出高屈服强度诱发晶界分层开裂增韧的新机理,获得了同时具备极高屈服强度,极佳韧性,良好延展性的低成本超级钢,为发展高强高韧金属材料提供了新的材料设计思路。这是黄明欣团队2017年在《Science》发表创屈服强度-均匀延伸率世界纪录的超级钢之后,在钢铁领域取得的又一重大成果。

为满足可持续性发展的要求,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。然而,材料的强度(承载能力)和韧性(抗断裂能力)往往是鱼与熊掌的关系,两者不可兼得。材料强度的提升往往会降低其韧性,导致材料脆性增加,阻碍其工业应用。因此,发展超高强度同时兼备优良韧性的结构材料,一直是材料科学家及工程师过去几十年间希望解决的世界级科学难题。尤其是当屈服强度进入2 GPa的超高范畴时,进一步改善材料韧性的难度成倍增加。

最近,由香港大学机械工程系黄明欣教授和美国劳伦斯伯克利国家实验室的Robert O. Ritchie教授合作领导的科研团队,成功突破超高强钢的屈服强度-韧性组合极限,获得同时具备极高屈服强度(~2 GPa),极佳韧性(102 MPa·m½),良好延展性(19%的均勻延伸率)的低成本变形分配钢(D&P钢)(图1)。

对比现有航空航天用马氏体时效钢(例如Grade300,其屈服强度和裂纹萌生断裂韧性分别是1.8 GPa和70 MPa·m½),此次的高强高韧D&P钢以低于其5分之1的原材料成本,实现了强度与韧性的同时提升(图2A)。除了力学性能上的巨大跃升,该团队开创性地提出高屈服强度诱发晶界分层开裂增韧新机制,获得超高强钢铁材料断裂韧性的大幅提升;打破了传统认为的提高强度会降低材料断裂韧性的常识。此项突破性研究于北京时间2020年05月08日发表于《SCIENCE》杂志上,文章题目为《Making Ultrastrong Steel Tough by Grain-Boundary Delamination》。

高强高韧D&P钢的研发工作始于2017年。港大黄明欣教授领导的团队首次提出位错工程设计理念,前瞻性通過提高位错密度同时实现提高强度和延展性的创新机理[2]。该研究创造了屈服强度-均匀延伸率的世界纪录(图2B),也在《SCIENCE》上获得发表。(点击查看)

本次研究基于断裂力学的理论,系统地评估了高强D&P钢的断裂韧性并分析了相关韧化机制。值得注意的是,断裂韧性是描述材料抵抗裂纹扩展和断裂的能力,直接决定了材料的应用价值。然而,断裂韧性无法由普通静态单向拉伸实验准确评估。断裂机理/韧化机制反应了在裂纹尖端特定组织结构处发生的独特的裂纹萌生和扩展过程。这与拉伸实验描述的塑性变形完全不同。该项研究表明,通过简单轧制与热处理,D&P钢获得独特的两相层状组织结构(图3)。

特别地,锰元素在原奥氏体晶粒边界富集也保留在组织结构中(图3)。D&P钢超高的屈服强度诱发锰元素富集的原奥氏体晶界在垂直于主裂纹面的方向上启动分层裂纹(图4)。原奥氏体晶界分层开裂之后,使原本的平面应变断裂转变成一系列沿样品厚度方向的平面应力断裂过程,极大地提高了D&P钢的断裂韧性。该研究首次提出的“高屈服强度诱发晶界分层开裂增韧”的新机理,突破提高强度必然导致断裂韧性降低的传统观点,为发展高强高韧金属材料提供新的材料设计思路。另外,高强高韧D&P钢的相变诱导塑性(TRIP toughening)也进一步提高了该材料的断裂韧性(图4D)。

此次关于2GPa D&P钢的研究,创造了材料的屈服强度-韧性组合的世界纪录,成果于北京时间2020年05月08日在《SCIENCE》发表。文章的通讯作者为香港大学机械工程系的黄明欣教授和美国劳伦斯伯克利国家实验室的Robert O. Ritchie 教授,第一作者是香港大学机械工程系博士生刘丽女士,美国劳伦斯伯克利国家实验室的于秦博士为共同一作。

感谢何伦华、陈洁(中国散裂中子源)、焦增宝、栾军华、何斌斌、王铭对本研究提供的帮助。感谢国家重点研发计划、自然科学基金、香港研究资助局、美国能源部基础能源科学对本研究的资助。

钢铁再发《Science》!港大黄明欣等人开发出创世界纪录的超级钢

图1(A)三维图解模型描述了样品加载方向与D&P钢组织结构的关系。(B)工程应力应变曲线。(C)J-积分阻力曲线。展示了D&P钢同時具有极高的屈服强度、韧性和均匀延伸率。

钢铁再发《Science》!港大黄明欣等人开发出创世界纪录的超级钢

图2 D&P钢与其它结构材料的 (A) 屈服强度-断裂韧性及 (B) 屈服强度-均匀延伸率的对比。

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图3(A)此次D&P钢的三维立体组织结构。(B)原奥氏体晶粒边界(PAGBs)在D&P钢中的分布。(C)三维原子探针证明了Mn元素在原奥氏体晶界处富集。(D)三维示意图展示了D&P钢的独特片层状结构。

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图4 (A) D&P钢分层开裂增韧三维示意图,展示分层裂纹沿着垂直主裂纹的面发生。(B)D&P钢的断口形貌,观察到分层裂纹沿着垂直主裂纹的面发生。(C)分层裂纹沿着原奥氏体晶界(PAGBs)扩展。(D)D&P钢的TRIP 韧化机理。

参考文献:

[1]L. Liu†, Qin Yu†, Z.Wang, Jon Ell, M. X. Huang*, Robert O. Ritchie*. Making ultrastrong steel tough by grain-boundary delamination. Science(2020)

[2] B. B. He, B. Hu, H. W. Yen, G. J. Cheng, Z. K.Wang, H. W. Luo*, M. X. Huang*, High dislocation density–induced large ductility in deformed and partitioned steels. Science 357, 1029-1032 (2017).

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