雙重優勢
科學家開發了一種新型鋼,其強度與以前的高性能鋼一樣強,但具有更高的抗裂性,它具有特別穩定的顯微組織。根據發表於《科學》雜誌上的論文,與傳統的高強度鋼相比,這種鋼的生產過程不需要昂貴的合金金屬、也不需要複雜的製造過程。
無論汽車,橋梁結構還是工具,鋼都是當今時代最重要的材料之一,人們對鋼的性能要求也與日俱增。 一方面,我們希望材料應承受強壓力或張力並能承受衝擊;另一方面,它又必須足夠堅韌,以使其在變形時不會破裂。 然而,問題在於較高的強度通常與脆性增加有關,強度大往往意味著更容易破裂。
一切都與微觀結構有關
過往,我們可以通過向鋼中添加其他金屬(例如鎳,鈷,錳或鉬)來避免這一難題。合金的微觀結構使材料同時具有穩定、抗裂和可延展性。但是,這種合金鋼有一個明顯的缺點:「成本高昂和環境影響,經濟上的批量生產和回收是不切實際的。」
另一種處理方式是通過熱處理來操縱鋼的微觀結構,目的是使鋼的兩種晶格結構變體(奧氏體和馬氏體)達到最佳比例和良好的排列,以獲得強度和韌性兼具的鋼。
奧氏體和馬氏體製成的「酥」
研究者們現在已經開發出一可以讓使鋼具有一種「酥油糕點結構」的方法---奧氏體和馬氏體的超薄層交替排列。這種結構可以使材料變得高強度,但同時又防止了裂紋的擴散。
一開始,這種鋼幾乎全部由奧氏體晶粒組成,通過熱軋將其拉長;在隨後的冷軋過程中,部分奧氏體轉變為馬氏體,並從由這兩種組織形成了層狀雙相組織。
韌如鈦,但硬度卻是鈦的兩倍
最終,鋼內的奧氏體晶粒細長且微小,它們嵌入在馬氏體基體中,馬氏體基層則一層層展開。 測試表明,得益於所謂的「多重分層」,這種結構不僅使材料非常堅固,而且還可以防止裂紋在鋼中擴散,在受力時會發散受力,從而吸收一些能量,同時由於層結構本身保持穩定,因此不會形成大的裂紋。
具體來說,這種鋼可以承受大約2GPa的壓力,並且仍能抵抗102MPa的拉力,它可與最好馬氏體時效鋼相媲美硬度,但韌性卻是其兩倍。 研究人員說:「我們的鋼與鈦一樣堅韌(比強度高),但硬度卻是鈦的兩倍。」
從航空到橋梁
這種鋼實現了強度和韌性前所未有的組合,可以應對安全關鍵型工業應用的挑戰。」 同時,這種鋼可以容易製造且原材料成本較低。 研究人員認為:「我們距離新型超級鋼的產業化邁出了一步。」
它不僅可以用於橋梁電纜,航空,裝甲車或輕型車輛中,還可以用於建築業的鉚釘和螺栓中。研究者們已經開始與美國的工業夥伴合作,以批量生產出這種鋼的原型。