香港大學工程學團隊「超級鋼」研究夥拍柏克萊國家實驗室
提升超強鋼材抗斷裂能力獲得重大突破
2020年05月12日
香港大學機械工程系黃明欣教授領導的「超級鋼」研發項目,繼於三年前在鋼材的延展性取得重大突破後,團隊與美國柏克萊國家實驗室於5月8日在學術期刊《科學》(Science)合作發表的研究報告,在提升「超級鋼」的抗破裂折斷能力(韌性)也取得重大進展。
今次的研究成果非常重要,令「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。「超級鋼」正申請多國專利。團隊計劃與業界合作,首先在高強橋樑纜索、防彈衣和汽車彈簧等方面製作原型,進行測試,有望把研發成果工業化和商品化。
鋼是日常普遍使用的合金材料,汽車、航空及國防等工業對金屬材料的要求,既要超高強度來大幅度提高結構承重抗變形的能力(屈服強度),也要有良好的延展性(能伸延扭曲)和韌性(不容易折斷碎裂),讓零部件能夠精準成型,並防止出現材料和部件意外失效的情況。傳統的科學觀點,金屬的強度、延展性和韌性三種屬性有著此銷彼長的關係,即提升其中一種屬性的功能時,其餘的一或兩種會相應降低,三者無法俱得。
黃教授團隊的「超級鋼」研究,早前在高強度和高延展性的組合上突破極限,在維持鋼材的超高强度下,仍然能精準成型(註一),今次進一步針對強度和韌性這個艱難組合,取得突破。
團隊和柏克萊大學、美國勞倫斯柏克萊國家實驗室的Robert O. Ritchie教授的團隊合作,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(~2GPa)、極佳韌性(102MPam½)、良好延展性(19%的均勻延伸率)兼低成本的「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的方法))(見圖1和圖2)。
在工業應用上,高端的鋼材必須具備良好的斷裂韌性,即抵抗斷裂的能力,除耐用外更重要是避免構件提前失效導致意外。一直以來,提升鋼材強度往往會降低其韌性,導致材料脆性增加,而有關的研究工作相當艱巨,因爲當強度進入超高範圍時,進一步改善材料韌性的難度將以倍增。
目前,工業生產鋼材1.7GPa已屬極高的屈服強度,應用於橋樑纜索,其韌性度最高也未能超越65MPam½,用於裝甲運兵車等軍用鋼材,也僅在這個水平。琴弦的鋼絲,屈服強度高達2.6 - 2.9GPa以維持音準,但韌性非常低,因而容易斷裂。
因此,團隊研發的D&P鋼,在維持高硬度下,其斷裂韌性超越現有鋼材,目前未有任何工業應用的鋼材能及。其效能也比現有航空航天用的馬氏體時效鋼(例如 Grade 300,其屈服強度和斷裂韌性分別是1.8 GPa和70 MPa m½)爲高,而成本卻只有其5分之1。(見圖3)
在科學層面,團隊發現D&P鋼材具有非常獨特的斷裂方式 - 在主裂紋下方形成很多微小裂紋,這些微小裂紋能有效吸收由外力引致的能量,從而大幅提高鋼材的斷裂韌性,遠高於目前使用的鋼材料。團隊開創性地提出「晶界分層開裂增韌」- 通過增加材料屈服強度以啟動新的增韌機制,大幅提高鋼材料的韌性。
「為了滿足可持續性發展的需求,全球工業界一直致力於開發及應用高強高韌的輕質、低成本新型結構材料。D&P鋼不單解決了強度和韌性之間的矛盾,還具有製造方法簡單及低成本等眾多優勢。D&P鋼可通過軋制與熱處理等工業界廣泛使用的加工方法製造,無需額外複雜工序。」論文第一作者、黃明欣教授的博士生劉麗女士說。
黃教授說:「今次進一步開發超級D&P鋼達至極高的韌性,而高韌性是工業化應用的前提條件,研究成果為實現超級D&P鋼的工業化應用往前邁進了一大步。這新超級鋼材具備潛力,應用於製造高級防彈衣、高強橋樑纜索、汽車及裝甲運兵車的輕量化、航空航天領域、建築領域的高強螺栓和螺母等多方面。」
團隊在《科學》發表,題為《晶界分層斷裂實現超高強鋼增韌》的論文連結。
註一: 研究團隊在《科學》期刊發表有關「超級鋼」研究結果,新聞稿(2017年):https://www.hku.hk/press/c_news_detail_16681.html
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