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中国超级钢研究取得“巨大提升”

【摘要】:
有超高强度的金属材料通常应用于汽车、航空及国防工业,但材料的强度与延展性通常是“鱼与熊掌不可兼得”。美国《科学》(《Science》)杂志24日发表了中国京港台三地科学家的合作科研成果,他们发明的一种超级钢实现了钢铁材料在屈服强度超过2000兆帕时延展性的“巨大提升”。  屈服强度是金属材料发生屈服现象时的极限,大于这个强度的外力作用将使材料永久变形。如何通过工业上常用的加工工艺,获得同时具有超高

  有超高强度的金属材料通常应用于汽车、航空及国防工业,但材料的强度与延展性通常是“鱼与熊掌不可兼得”。美国《科学》(《Science》)杂志24日发表了中国京港台三地科学家的合作科研成果,他们发明的一种超级钢实现了钢铁材料在屈服强度超过2000兆帕时延展性的“巨大提升”。

  屈服强度是金属材料发生屈服现象时的极限,大于这个强度的外力作用将使材料永久变形。如何通过工业上常用的加工工艺,获得同时具有超高强度和高延展性的金属材料,在科学界和工业界一直是有高度挑战性的研发目标。

  研究负责人之一、北京科技大学罗海文教授告诉记者,最新发明的超级钢达到了前所未有的2200兆帕的屈服强度和16%的均匀延伸率,“具有最优的强度和延展性的结合”。

  此外,该钢还有两大优点。第一,成本较低。这种超级钢是成分简单的中锰钢成分体系,含有10%锰、0.47%碳、2%铝、0.7%钒,这些都是现在广泛使用的钢材料中常见的合金元素,并没有通过大量使用昂贵的合金元素来提高强韧性;第二,该钢是通过工业界广泛使用的加工工艺来制备,如热轧、冷轧、热处理等常规工业制备工艺,而不是采用那些难以规模化工业生产的特殊加工工艺来制备。因此,这种超级钢具备在钢铁企业进行百吨级规模工业化生产的潜力。

  罗海文说,该超级钢性能优越,是因为他们在钢材中引入高密度的可动位错。位错是钢材变形时在钢材内部形成的缺陷。教科书中的经典理论认为,位错越多,强度确实会显著提高,但这些位错会相互纠缠导致位错无法运动,因此延展性就会显著降低。而他们通过采用新的成分体系加上结合使用多种制备工艺,在钢中产生大量可动位错,同时实现了超高强度和高延展性。

  罗海文还介绍,他们主要依托北京科技大学中试规模的试验线试制出该超级钢,该试验线具备现今工业生产线所没有的轧制能力。因此,如果要工业化生产,仍需要对现有钢铁企业的相关设备进行技术改造,并不能马上直接生产。

  这项研究被誉为京港台三地科学家精诚合作的典型成功范例,其中香港大学黄明欣博士团队前瞻性地提出通过提高位错密度可同时实现提高强度和延展性的创新理论;罗海文教授团队成功地在钢材中引入了大量的可移动位错;台湾大学颜鸿威团队通过材料的先进表征技术证实了上述理论的正确性。根据该发明的新成分与工艺,他们已申报了三项相关专利。

  D&P钢与其它金属材料的强度和延展性的对比,其具有最优的强度和延展性的结合。

  此次发明的超级钢(D&P钢)与其它钢铁材料原材料成本比较。

  电子背散射衍射(EBSD)相图展示了D&P的片层状结构,其中奥氏体(g)嵌入在回火马氏体(a')中。(b)透射电子显微镜(TEM)图片放大显示了马氏体中的位错结构。(c)TEM图片展示了马氏体中的位错结构在8%拉伸变形后明显变长。(d)TEM图片证实了奥氏体在拉伸至16%的应变过程中相变成了马氏体。