新技術(shù)可讓鋼材的強(qiáng)度和韌性同時(shí)兼得

對鋼材而言，強(qiáng)度和韌性是衡量品質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)，但兩者卻總是魚與熊掌不可兼得，只能根據(jù)需要選取一個(gè)折衷方案。美國布朗大學(xué)和三所中國高校以及中國科學(xué)院的科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種簡單的技術(shù)，能在提高鋼鐵的強(qiáng)度的同時(shí)不犧牲其韌性，借助該技術(shù)有望生產(chǎn)出性能更好的鋼材。相關(guān)論文發(fā)表在最近出版的《自然通訊》上。

強(qiáng)度和韌性是材料至關(guān)重要的品質(zhì)，特別是在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中所使用的材料對這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)更是有著嚴(yán)格的要求。強(qiáng)度用來衡量多大的作用力才能使材料發(fā)生彎曲或變形；韌性用來衡量多大的伸縮才會導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂。缺乏強(qiáng)度的材料容易發(fā)生疲勞并最終損壞；缺乏延展性的材料容易突然發(fā)生斷裂，造成災(zāi)難性事故。

鋼鐵是為數(shù)不多的幾種兼具強(qiáng)度與柔韌性的材料之一，這也是其作為結(jié)構(gòu)材料被廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因。但是科學(xué)家們?nèi)匀徊粷M意，希望它能夠更好。而問題是，煉鋼過程中提高強(qiáng)度的方法往往以犧牲延展性為代價(jià)，反之亦然。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)4月9日報(bào)道，在這項(xiàng)新研究中，論文第一作者、布朗大學(xué)工程學(xué)教授高華?。ㄒ糇g）和他的同事發(fā)現(xiàn)，通過對一種名為孿晶誘導(dǎo)塑性（TWIP）鋼材進(jìn)行預(yù)處理，就能打破這種均衡，讓鋼材兼具極好的強(qiáng)度和韌性。

TWIP鋼材的強(qiáng)度能夠通過加工硬化工藝得到增強(qiáng)。所謂加工硬化工藝就是通過大量外力，使金屬材料發(fā)生塑性變形，使晶粒拉長、破碎和纖維化的過程。當(dāng)TWIP鋼材變形，其原子晶格中會形成變形孿晶。不同于傳統(tǒng)的捶打和彎曲工藝，新研究中研究人員引入了一種新的被稱為扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的加工工藝。這種工藝會導(dǎo)致圓柱形鋼材外部的分子的變形幅度大于內(nèi)部分子的變形幅度。其原理類似于一群在環(huán)形跑道上跑步的運(yùn)動(dòng)員：外道的選手跑步的距離要大于內(nèi)道。由于外側(cè)變形的程度要大于內(nèi)側(cè)，變形孿晶只在圓柱形鋼材的表面形成，而內(nèi)部則基本上保持不變。其結(jié)果是，這個(gè)圓柱形鋼材就具有兩全其美的特性——外部具有極好的強(qiáng)度，內(nèi)部則具有極好的延展性。

高華健說：“從本質(zhì)上講，我們讓材料具備了外硬內(nèi)軟的特征。這使我們能夠在不犧牲韌性的同時(shí)，讓材料的硬度獲得成倍地提升。目前我們需要做的就是，盡可能地將材料的強(qiáng)度和韌性推向極限?！?

研究人員希望他們的技術(shù)可以用于鋼材的預(yù)處理中，用這種技術(shù)可以生產(chǎn)出性能極佳的車軸和其他對材料性能要求較高的機(jī)械部件，未來有望在汽車和高速列車制造中獲得應(yīng)用。  

     (中國機(jī)械網(wǎng))