「超級鋼」研發成功,具備高性能鋼的強度,卻非常抗裂

2021-02-08 德味兒

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。

相關焦點

  • 港大成功提高「超級鋼」韌性 高屈服強度 + 更低成本
    香港大學的「超級鋼」研發項目近日再有進展,確認「超級鋼」的韌性成功突破極限,比起航天鋼材還要高。現在,正在計劃把「超級鋼」投入生產,製造更輕更慳油的汽車和高強橋梁纜索等等。內容指出經過團隊合作,成功突破超高強鋼的屈服強度—韌性組合極限,研發出同時具備極高屈服強度、極佳韌性、良好延展性兼更低成本的「超級鋼」。「超級鋼」在高端鋼材要求的高強度、延展性和韌性三個重要指標,均達到史無前例的高水平,目前沒有任何鋼材物料能及。團隊正在申請多國專利,並期望與業界合作,把研發成果工業化和商品化。
  • ...科學家合作發明「超級鋼」 屈服強度2000兆帕下仍具有良好延展性
    新華社8月24日報導,具有超高強度的金屬材料通常應用於汽車、航空及國防工業,但材料的強度與延展性通常是「魚與熊掌不可兼得」。美國《科學》雜誌24日發表了中國京港臺三地科學家的合作科研成果,他們發明的一種超級鋼實現了鋼鐵材料在屈服強度超過2000兆帕時延展性的「巨大提升」。
  • 京港臺三地科學家合作發明「超級鋼」 屈服強度2000兆帕下仍具有...
    新華社8月24日報導,具有超高強度的金屬材料通常應用於汽車、航空及國防工業,但材料的強度與延展性通常是「魚與熊掌不可兼得」。美國《科學》雜誌24日發表了中國京港臺三地科學家的合作科研成果,他們發明的一種超級鋼實現了鋼鐵材料在屈服強度超過2000兆帕時延展性的「巨大提升」。
  • 中國成功研製超級鋼,屈服強度突破歷史,或將用於製造航母
    而特種鋼材的技術一直是高端鋼材行業的機密,只有少數西方國家、日本掌握特種鋼的技術。今年8月,我國在特種鋼研製領域取得重大突破,成功生產了2200MPa的超級鋼。中國製造的超級鋼厲害在哪裡?優勢在哪裡呢?首先,超級鋼的技術就是突破人類鋼鐵的製造歷史,它具有低合金含量,高強度的特徵。Mpa是一種屈服強度單位,超級鋼的屈服強度讓互相競爭研製超級鋼的國家十分震驚。
  • Nature:強度媲美鋼的超級木頭!
    2月8日,Nature在線發表了美國馬裡蘭大學胡良兵教授和李騰教授研究團隊關於超級木頭的最新發現。該研究團隊發明了一種簡單有效的方法可以把原生木材直接處理成為一種超強超韌的高性能結構材料。通過簡單的兩步處理方式獲得的超級木頭的各項機械性能,包括拉壓彎強度、韌性、剛度、硬度、抗衝擊性能等, 都超出原生木材10倍以上。其拉伸強度達到587 MPa,可以和鋼材媲美;而比拉伸強度高達451 MPa cm^3/g,超過幾乎所有的金屬和合金材料,甚至包括鈦合金(244MPa cm^3/g)。
  • 他帶領團隊成功研發「超級鋼」,在國際上連創四個第一
    「超級鋼」,能夠大幅度提高傳統鋼鐵材料的性能,延長使用壽命,又能有效地提高鋼材的利用率和回收率,減輕了企業成本和環境壓力。那麼,我國的超級鋼是如何研發出來的呢?請讀本文。他帶領團隊研發的超級鋼,能夠大幅度提高傳統鋼鐵材料的性能,延長使用壽命,又能有效地提高鋼材的利用率和回收率,減輕了企業成本和環境壓力。
  • 港大新聞 | 港大與研究夥伴伯克利國家實驗室 研發最強「超級鋼」提升鋼材抗斷裂能力獲得重大突破
    港大與研究夥伴伯克利國家實驗室研發最強「超級鋼」提升鋼材抗斷裂能力獲得重大突破■  香港大學機械工程系黃明欣教授領導的「超級鋼」研發項目,繼三年前在鋼材的延展性取得重大突破後,團隊與美國柏克萊(Lawrence Berkeley National
  • 香港大學研發超級鋼 可用於輕型汽車/軍用車輛等
    此前,該團隊已經顯著提高了D&P鋼的強度-延展性性能,因此,超級D&P鋼的三種金屬性能都達到了前所未有的高水平,這也是此前任何鋼鐵材料無法達到的。D&P鋼取得的最新突破由香港大學與美國勞倫斯伯克利國家實驗室Robert O. Ritchie教授研究團隊取得,使得新鋼材的屈服抗變形強度約為2GPa、抗斷裂性達102MPam½、均勻延伸率達19%。研究小組還在超級D&P鋼的結構方面取得了重大科學發現。
  • 高強高韌超級鋼創世界紀錄
    香港大學機械工程系黃明欣教授和美國伯克利國家實驗室Ritchie教授合作領導的科研團隊,成功突破超高強鋼的屈服強度-韌性組合極限,在高端鋼材要求的高強度
  • 新型超高強鋼突破2000兆帕強度極限
    原標題:新型超高強鋼突破2000兆帕強度極限   最新發現與創新   科技日報北京4月12日電 (記者操秀英)北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室呂昭平教授團隊創新合金設計理念,研發出一種高密度納米強化的超高強馬氏體時效鋼。
  • 中國超級鋼研究取得「巨大提升」,提升汽車、航空及國防工業
    《尋找「超級鋼」》視頻截圖新華社華盛頓8月24日電 具有超高強度的金屬材料通常應用於汽車、航空及國防工業,但材料的強度與延展性通常是「魚與熊掌不可兼得」。美國《科學》雜誌24日發表了中國京港臺三地科學家的合作科研成果,他們發明的一種超級鋼實現了鋼鐵材料在屈服強度超過2000兆帕時延展性的「巨大提升」。
  • 新型超高強馬氏體時效鋼強度突破2000兆帕
    【每日科技網】 北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室呂昭平教授團隊創新合金設計理念,研發出一種高密度納米強化的超高強馬氏體時效鋼。《自然》雜誌4月10日在線發表了這一研究成果。
  • 「中國超級鋼之父」王國棟院士:為大國重器研發「超級鋼」
    來源:《瀋陽日報》20190726、沈報融媒記者 嶽雨 翻開日曆,2016—2018年,他每年約有1/3的時間奔波於下企業解決技術問題、參加項目論證、參加行業會議做技術交流……這位被譽為「中國超級鋼之父
  • 鋼纖維的作用及在混凝土中的應用
    鋼纖維是一種新、高性能的鋼纖維品種,因為其作用,鋼纖維在混凝土中有著很好的應用。一、鋼纖維的作用雖然鋼纖維問世不久,但應用已經越來越廣泛,種類也越來越多。鋼纖維作為一種效果優異的抗裂材料。二、鋼纖維在混凝土中的應用鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入三維亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相複合材料。這些亂向分布的鋼纖維能夠有效地阻礙混凝土內部微裂縫的擴展及宏觀裂縫的形成,顯著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗衝擊及抗疲勞性能,具有較好的延性。
  • 科學家研發出「超強鋼」 :要強度有強度、要韌性有韌性、要彈性有彈性
    現在工程師們開發出了一種新型的「超級鋼」,它可以抵禦這種權衡,在保持強度的同時還能抗斷裂。對於鋼這樣的材料,有三個主要屬性需要平衡--強度、韌性和延展性。前兩者聽起來可能是一樣的,但有一個重要的區別。強度是指材料在變形或失效前能承受多少載荷,而韌性則是指材料斷裂所需的力的大小。
  • 「超級鋼」突破極限!兼具高強度和高韌性,製造成本僅常用鋼20%
    對於鋼這樣的材料,有三個主要屬性需要平衡--強度、韌性和延展性。提高這三種性能中的一種往往會降低另一種性能。據香港大學和美國勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員表示,他們已經成功地生產出了一種在這三種性能上都具有高級性能的鋼。他們大膽地稱它為 「超級鋼」。
  • 港大黃明欣等創強韌性組合世界紀錄的超級鋼
    港大黃明欣等人首次提出高屈服強度誘發晶界分層開裂增韌的新機理,獲得了同時具備極高屈服強度,極佳韌性,良好延展性的低成本超級鋼,為發展高強高韌金屬材料提供了新的材料設計思路。這是黃明欣團隊2017年在《Science》發表創屈服強度-均勻延伸率世界紀錄的超級鋼之後,在鋼鐵領域取得的又一重大成果。
  • 為什麼中國超級鋼這麼厲害?從完璧歸趙說起—材料脆性和韌性
    中國的超級鋼新華社2017年7月曾報導,我國最新發明的超級鋼達到了前所未有的2200MPa的屈服強度和16%的均勻延伸率,「具有最優的強度和延展性的結合」。此外,該鋼還有兩大優點。第一,成本較低。這種超級鋼是成分簡單的中錳鋼成分體系,含有10%錳、0.47%碳、2%鋁、0.7%釩,這些都是現在廣泛使用的鋼材料中常見的合金元素,並沒有通過大量使用昂貴的合金元素來提高強韌性;第二,該鋼是通過工業界廣泛使用的加工工藝來製備,如熱軋、冷軋、熱處理等常規工業製備工藝,而不是採用那些難以規模化工業生產的特殊加工工藝來製備。因此,這種超級鋼具備在鋼鐵企業進行百噸級規模工業化生產的潛力。
  • 我國「航母鋼」硬度有多強?極高要求的特種鋼,比美數據翻一倍
    之所以很少有國家能夠自主建造航母,不僅僅是因為科學技術這些軟條件,更重要的是,「航母鋼」這個硬性條件就將90%的國家擋之門外。然而,我們所不熟知的是,高性能核潛艇所使用的鋼材比航母鋼更加難製造。中國航空母艦事實上,核潛艇所需要的鋼材,具有極高的強度和韌性,同時也具有很強的屈服性,用這種鋼材建造出的核潛艇殼體,才能承受住深海巨大的壓力,所以潛艇鋼是制約潛艇噸位、潛深的重要因素。
  • [時科博士說] 時科纖維——可取代抗裂鋼絲網的混凝土結構抗裂纖維
    在現代纖維混凝土成了繼鋼筋混凝土、預應力混凝土之後的又一次重大突破。時科合成纖維改變了混凝土本身的脆性,提高了混凝土的韌性、抗衝擊和抗疲勞性。用於增強混凝土的抗裂材料,主要包括鋼筋網和纖維。作為一種抗裂材料,理論上就要求這種材料:強度只需高於混凝土、越細、越密、越靠表層,材料的抗裂效果就越好。因此,相比與抗裂鋼筋,抗裂纖維更符合抗裂的要求和規律。