鋼合金的新處理方法帶來了卓越的強度和塑性

在一種優質鋼材合金上測試的一種新處理方法可獲得顯著的強度和柔韌性，而這兩種品質通常被視為一種權衡而非組合。這種處理方法在鋼的最外層產生的超細金屬顆粒似乎在應變下拉伸、旋轉然后伸長，從而產生了普渡大學研究人員無法完全解釋的超塑性。

通過對 T-91 鋼合金進行新的處理，產生了一種強度更高、韌性更強的鋼合金，這種鋼合金被稱為 G-T91，其超細金屬晶粒顯示出超塑性。普渡大學和桑迪亞國家實驗室的這一發現可能會徹底改變汽車車軸和懸掛電纜等應用，但其確切機制仍是一個謎。

研究人員對 T-91 進行了處理，T-91 是一種改良合金鋼，主要用于核工業和石化工業，但研究人員表示，這種處理方法也可用于其他需要高強度、韌性鋼材的地方，如汽車車軸、懸掛電纜和其他結構部件。這項研究是與桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）合作進行的，已申請了專利，于 5 月 31 日發表在本周三的《科學進展》（Science Advances）上。

【資料圖】

與T-91強度更高、可塑性更強的直接結果相比，更引人關注的是桑迪亞實驗室的觀察結果，這些觀察結果顯示了研究小組所稱的"納米層"的特征，即在從表面延伸到約200微米深度的區域內，處理過程中產生的超細金屬顆粒。普渡大學材料工程學院教授、論文第一作者張星航（Xinghang Zhang）說，顯微鏡圖像顯示，經過處理的鋼材（被稱為 G-T91（或梯度 T91））在承受越來越大的應力時會發生意想不到的變形。

"這是一個復雜的過程，研究界以前從未見過這種現象，"張說。"顧名思義，G-T91 表現出超塑性，但實現這一現象的確切機制尚不清楚。"

鋼等金屬在肉眼看來可能是整體的，但如果將其放大，就會發現金屬棒是由稱為晶粒的單個晶體組成的。當金屬受到應變時，晶粒能夠發生變形，從而保持金屬結構不破裂，使金屬能夠伸展和彎曲。較大的晶粒比較小的晶粒能容納更大的應變，這是在大晶粒易變形金屬和小晶粒堅固金屬之間進行固定權衡的基礎。

在《科學進展》（Science Advances）這篇論文中，第一作者Shang Zhongxia（曾是張穎實驗室的研究生）利用壓應力和剪切應力將T-91樣品表面的大晶粒破碎成小晶粒。樣品的橫截面顯示，晶粒尺寸從表面開始增大，最小的超細晶粒尺寸不到100納米，而在材料中心，晶粒尺寸要大10到100倍。

改良后的 G-T91 樣品的屈服強度約為 700 兆帕斯卡（拉應力單位），可承受約 10% 的均勻應變，比標準 T-91 的綜合強度和塑性有了顯著提高。

現任普渡大學伯克納米技術中心（Birck Nanotechnology Center）研究員的Shang說："這就是這種結構的美妙之處，它的中心是軟的，因此可以維持塑性，但通過引入納米層壓板，表面變得更硬了。如果創造出這種梯度，大顆粒在中心，納米顆粒在表面，它們就會協同變形。大晶粒負責拉伸，小晶粒負責承受應力，如此可以制造出一種兼具強度和延展性的材料"。

雖然研究小組曾假設梯度納米結構 G-T91 的性能會優于標準 T-91，但在拉伸測試過程中每隔一段時間拍攝的掃描電子顯微鏡圖像卻揭示了一個謎。桑迪亞公司在掃描電子顯微鏡下拍攝的電子反向散射衍射圖像顯示了G-T91納米層狀結構中的晶粒是如何在真實應變（一種塑性測量指標）從0%到120%不斷增加的過程中發生變化的。在這一過程的開始階段，晶粒是垂直的，研究小組將其描述為透鏡狀。但隨著應變的增加，它們似乎拉伸成更球狀的形狀，然后旋轉，最后水平拉長。

這些圖像顯示了晶粒之間的界面（稱為晶界）在移動，從而使晶粒得以伸展和旋轉，并使鋼材本身發生塑性變形。研究小組已經獲得了美國國家科學基金會的資助，以研究晶界運動的規律，從而了解梯度材料的奇妙變形行為。

"如果我們知道它們是如何運動以及為什么運動，也許我們就能找到更好的方法來排列晶粒。張說："我們還不知道如何做到這一點，但這開啟了非常有趣的潛力。"

關鍵詞：