新技術(shù)可讓鋼材的強度和韌性同時(shí)兼得

對鋼材而言，強度和韌性是衡量品質(zhì)的重要標準，但兩者卻總是魚(yú)與熊掌不可兼得，只能根據需要選取一個(gè)折衷方案。美國布朗大學(xué)和三所中國高校以及中國科學(xué)院的科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現了一種簡(jiǎn)單的技術(shù)，能在提高鋼鐵的強度的同時(shí)不犧牲其韌性，借助該技術(shù)有望生產(chǎn)出性能更好的鋼材。相關(guān)論文發(fā)表在最近出版的《自然通訊》上。

強度和韌性是材料至關(guān)重要的品質(zhì)，特別是在結構應用中所使用的材料對這兩項標準更是有著(zhù)嚴格的要求。強度用來(lái)衡量多大的作用力才能使材料發(fā)生彎曲或變形；韌性用來(lái)衡量多大的伸縮才會(huì )導致材料發(fā)生斷裂。缺乏強度的材料容易發(fā)生疲勞并最終損壞；缺乏延展性的材料容易突然發(fā)生斷裂，造成災難性事故。

鋼鐵是為數不多的幾種兼具強度與柔韌性的材料之一，這也是其作為結構材料被廣泛應用的一個(gè)重要原因。但是科學(xué)家們仍然不滿(mǎn)意，希望它能夠更好。而問(wèn)題是，煉鋼過(guò)程中提高強度的方法往往以犧牲延展性為代價(jià)，反之亦然。

據物理學(xué)家組織網(wǎng)4月9日報道，在這項新研究中，論文第一作者、布朗大學(xué)工程學(xué)教授高華?。ㄒ糇g）和他的同事發(fā)現，通過(guò)對一種名為孿晶誘導塑性（TWIP）鋼材進(jìn)行預處理，就能打破這種均衡，讓鋼材兼具極好的強度和韌性。

TWIP鋼材的強度能夠通過(guò)加工硬化工藝得到增強。所謂加工硬化工藝就是通過(guò)大量外力，使金屬材料發(fā)生塑性變形，使晶粒拉長(cháng)、破碎和纖維化的過(guò)程。當TWIP鋼材變形，其原子晶格中會(huì )形成變形孿晶。不同于傳統的捶打和彎曲工藝，新研究中研究人員引入了一種新的被稱(chēng)為扭轉運動(dòng)的加工工藝。這種工藝會(huì )導致圓柱形鋼材外部的分子的變形幅度大于內部分子的變形幅度。其原理類(lèi)似于一群在環(huán)形跑道上跑步的運動(dòng)員：外道的選手跑步的距離要大于內道。由于外側變形的程度要大于內側，變形孿晶只在圓柱形鋼材的表面形成，而內部則基本上保持不變。其結果是，這個(gè)圓柱形鋼材就具有兩全其美的特性——外部具有極好的強度，內部則具有極好的延展性。

高華健說(shuō)：“從本質(zhì)上講，我們讓材料具備了外硬內軟的特征。這使我們能夠在不犧牲韌性的同時(shí)，讓材料的硬度獲得成倍地提升。目前我們需要做的就是，盡可能地將材料的強度和韌性推向極限?！?

研究人員希望他們的技術(shù)可以用于鋼材的預處理中，用這種技術(shù)可以生產(chǎn)出性能極佳的車(chē)軸和其他對材料性能要求較高的機械部件，未來(lái)有望在汽車(chē)和高速列車(chē)制造中獲得應用。  

     (中國機械網(wǎng))