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港大率領京港台年輕科學家
合作研發低成本「超級鋼」 獲《科學》期刊發表

2017年08月25日

 

汽車、航空及國防工業對金屬材料的要求，既要超高強度及有極高的載荷，也要有良好的延展性和韌性，以便零部件能夠精準成型，並可防止出現材料和部件的意外失效。然而，材料的強度和延展性之間常常是魚和熊掌的關系，以往採用的方法難以同時提高強度和延展性。比如陶瓷、非晶材料具有很高的硬度和強度，但幾乎沒有延展性。運用現時工業常用的簡單方法，獲得同時具有超高強度和高延展性的金屬材料，一直是科學界和工業界具有高度挑戰性面對的挑戰。

由香港大學機械工程系黃明欣博士領導、由北京、香港及台灣年輕科學家共同參與的科研團隊，最近成功研發了一種「超級鋼」（又稱D&P鋼，因為其製作是通過嶄新的「變形及配分」Deformed & Partitioned，簡稱為D&P方法），不單解決了上述強度和延展性和韌性之間的矛盾，其原材料成本更只是現時航空及國防工業用鋼材的5分之1左右。此項突破性研究，剛於著名學術期刊《科學》Science發表。

鋼鐵材料是人類社會使用量最大、使用歷史悠久的金屬材料，與其他金屬材料相比，其工業生產效率和自動化程度都要遠超過其他金屬材料，因此如何得到強韌性更高的鋼材是人類社會進入鐵器時代以來孜孜以求的目標。尤其是屈服強度進入2GPa的超高範圍時，進一步改善材料延展性的難度幾乎是成倍提高。是次研發的成果「超級鋼」就是這一從未停滯夢想的一次成功嘗試，實現了屈服強度超過2GPa (Gigapascal吉帕斯卡）的鋼鐵材料延展性的巨大提升。

「超級鋼」除了力學性能上的巨大躍升，達到前所未有的2.2GPa屈服強度和16%的均勻延伸率，還有兩大優點：
(1).  合金成本較低
「超級鋼」原材料成本只是現時航空及國防工業用鋼材的5分之1左右。「超級鋼」成分簡單，是含有10%錳，0.47%碳，2%鋁，0.7%釩（V）（質量百分比）的「中錳鋼」，這些都是現時廣泛使用的鋼材料中常見的合金元素；圖1是「超級鋼」與其它鋼鐵材料原料成本的比較圖。

(2). 製造方法簡單
「超級鋼」通過在工業界廣泛使用的加工方法來製造，如熱軋、冷軋、熱處理等常規工業製作方法，而不是採用那些難以規模化工業生產的特殊加工。因此，此「超級鋼」，具備巨大潛力可以直接在鋼鐵企業進行百噸級規模工業化生產。

相比於廣泛應用於汽車工業的DP780和Q&P980鋼和應用於航空及國防工業的馬氏體時效鋼（見圖2），此次新研發的「D&P鋼」不僅具有更高的強度，而且擁有更好的延展性。同時，D&P鋼的性能也優於黃明欣博士團隊在2015年所研發的納米孿晶（NT）鋼（見圖2）。另外，對比於現有的金屬材料，此次研發的「D&P鋼」具有最佳的強度和延展性的結合，在大部分屈服強度高於2.0GPa以上的金屬材料中，此「D&P鋼」具有不可比擬的延展性（見圖3）。

此「超級鋼」的發明也是香港、北京及台灣青年科學家精誠合作的典型成功範例。香港大學機械工程系的黃明欣博士率領整個團隊，一直致力於超高強度的金屬材料的新機理研究。在此次研究中，前瞻性地提出通過提高位錯密度可以同時實現提高強度和延展性的創新機理；而之前的經典理論中一直認為提高材料中的位錯密度只可以顯著提高強度，但會惡化材料的延展性。北京科技大學的羅海文團隊利用多年來在鋼鐵材料領域的加工經驗，成功地在所發明成分體系的鋼材中，引入了大量的可移動位錯。國立臺灣大學的顏鴻威團隊則通過材料的先進表征儀器，證實了該機理的正確性（見圖4）。

這項由香港大學、北京科技大學、國立臺灣大學，以及香港城市大學的青年科學家之間通力合作的研究成果於2017年08月24日在美國著名期刊《科學》(Science）發表，文章題目為《D&P鋼中高位錯密度引起高延性》。文章的第一作者是黃明欣團隊的博士後研究員何斌斌博士，通訊作者為香港大學黃明欣博士和北京科技大學羅海文博士。該論文全部作者為：B.B. He, B. Hu, H.W. Yen, G.J. Cheng, Z.K. Wang, H.W. Luo, M.X. Huang。

圖1 「超級鋼」（又稱D&P鋼）與其它鋼鐵材料原材料成本比較。

圖2 D&P鋼與其他高強度鋼在拉伸性能方面的對比。這些高強度鋼包括了馬氏體時效鋼，納米孿晶（NT）鋼，淬火及配分（Q&P980）鋼，以及雙相（DP780）鋼。

圖3 D&P鋼與其它金屬材料的強度和延展性的對比，其具有最優的強度和延展性的結合。

圖4
（a）電子背散射衍射（EBSD）相圖展示了D&P的片層狀結構，其中奧氏體嵌入在回火馬氏體中。
（b）透射電子顯微鏡（TEM）圖片放大顯示了馬氏體中的位錯結構。
（c）TEM圖片展示了馬氏體中的位錯結構在8%拉伸變形後明顯變長。
（d）TEM圖片證實了奧氏體在拉伸至16%的應變過程中相變成了馬氏體。

如欲索取是次研究的講義，請按此。(如採用，請註明「香港大學提供」。)

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