力學所等突破材料的強度與韌性之間的對立

2020-11-25 中國科學院

    對鋼材而言,強度和韌性是衡量品質的重要標準,但兩者卻總是魚與熊掌不可兼得,只能根據需要選取一個折衷方案。中國科學院力學研究所研究員魏宇傑和他的研究團隊探索出有效的材料製備方法,實現了孿晶鋼材料變形中的梯度多層次孿晶結構,大幅度提升孿晶鋼材料的強度且不損失其拉伸韌性,相關論文發表在最近出版的《自然-通訊》上。

    當我們用力拉橫截面積相同、長度相等的兩種材料,比如鐵棒和木棒,如果每施加一點力後再將卸載,鐵棒和木棒將恢復到它們的原始長度,這一過程為材料的彈性變形階段。如果逐步增加所施加的力,到一定程度,卸載後鐵棒和木棒的長度將不能完全恢復,這一對應狀態下的力,如果考慮單位橫截面積,對應於鐵棒和木棒的強度。再持續增加外力,材料進入我們常說的塑性變形階段。這時鐵棒的不可恢復部分的變形逐漸變多,並最終導致材料斷裂,在臨破壞前,鐵棒的最終長度可能比初始長度增加了30-50%。與此相對照,臨破壞前木棒的最終長度可能只比初始長度增加了百分之幾。這一最終可拉伸的長度,即對應於材料的拉伸韌性。在彈性階段,強度越高我們就可用越少截面積的材料來承擔相同大小的力;韌性越好,材料變形過程中所能吸收的能力就越多。一般而言,鐵棒比木棒的強度高,塑性變形能力強,拉伸韌性好。這也是人類逐步用鋼鐵取代木材,使前者成為最廣泛使用的工程材料的原因。

  對於同一類材料,尤其是金屬材料,它們的強度與韌性之間是對立的,類似於我們常說的熊掌與魚的關係(見圖1)。這一對立關係,是由於材料內在的微觀結構和變形機理導致的,如何設計並控制材料微觀結構,激活所希望的變形機理,實現強度與韌性兩者兼得,是科研人員長期追求的目標。對鋼鐵而言,考慮到它巨大的使用範圍,更是重點研究方向。最近幾年出現的孿晶鋼(TWIP),由於其韌性好,受到了廣泛的關注,尤其是交通行業,因為好的韌性變形能在事故過程中將大量的衝擊帶來的能量耗散在材料變形過程中,從而提高安全性。其缺點是強度太低,導致疲勞壽命(能承受的循環載荷的次數)低。

  受文獻中高速碾磨後具備納米結構表層的銅金屬所展現的優異力學性能的啟發,中科院力學所、上海大學、北京科技大學、浙江大學和布朗大學組成的研究團隊探索出有效的材料製備方法,實現了孿晶鋼材料變形中的梯度多層次孿晶結構,大幅度提升孿晶鋼材料的強度且不損失其拉伸韌性。通過預加的扭轉變形,首先在孿晶鋼中實現了孿晶密度梯度(如圖2所示)。由於孿晶界面是原子在某一個排列方向的鏡面對稱面,原子高度有序排列,這類具備孿晶密度的鋼材在之後的拉伸變形中強度顯著提高,而韌性沒有變化。更為重要的是,這一材料製備方法簡潔有效、不受材料尺寸的限制。這些特點使得這一研究具有很高的實用價值,能廣泛應用於需要增強的軸對稱結構,如軸承、轉子等結構,服務於汽車、高速鐵路等行業。

  實現大幅度強度提升且不損失材料拉伸韌性的原因在於材料經過預加的扭轉變形之後形成的孿晶密度梯度,使得材料由裡至外,強度線性增加,這種表面強,內部弱的同類材料複合結構,其強度由各處的體積平均決定。孿晶密度梯度也使得材料在塑性過程中維持較高的硬化(隨著材料塑性變形而需要增加載荷以實現進一步變形的現象),這一硬化特點能有效防止變形局部集中導致的材料破壞。

    更為重要的是,由於預處理中孿晶密度梯度的存在,後續的拉伸變形使得材料內部形成梯度多層次孿晶結構(如圖3所示)。實驗和理論分析表明,在不同的材料處理和變形階段,晶體內在的不同孿晶與位錯系統被激活,使得變形在微觀層次趨於均勻分布,同時維持材料宏觀上的應變硬化,阻止材料的塑性變形局域化。

  該工作在線發表在4月1日的《自然-通訊》雜誌上(魏宇傑,李永強,祝連春,劉垚,雷現奇,王剛,吳彥欣,米振莉,劉嘉斌,王宏濤,高華健. Evading the strength-ductility trade-off dilemma in steel through gradient hierarchical nanotwins, Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms4580, 1 April 2014)。相應的材料處理方法已申請國家專利(專利申請號CN103290183A)。

    該研究工作受到了中國科學院、科技部「973」計劃以及國家自然科學基金委等機構的資助。

圖1  典型鋼材的韌性隨強度增加而降低的趨勢

  圖2  掃描電鏡圖表明預扭轉處理後的材料沿徑向形成孿晶梯度。(a)到(c): 從試樣的中心位置沒有孿晶到試樣的表面位置具備高密度孿晶。(d)電子背散射衍射顯示的(c)的掃描結果,顯示條帶狀變形為孿晶。(e)孿晶寬度在納米量級。(f)孿晶界面非常規則。

  圖3  掃描電鏡圖表明預扭+拉伸變形後材料內部形成多級孿晶結構。紅、藍、綠箭頭分別代表主孿晶、次生孿晶、三層孿晶。

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