MTS助力港大「超级钢」研发项目再次取得重大突破

香港大学机械工程系黄明欣教授领导的「超级钢」研发项目，继于三年前在钢材的延展性取得重大突破后，团队与美国柏克莱国家实验室于5月8日在学术期刊《科学》（Science）合作发表的研究报告，在提升「超级钢」的抗破裂折断能力（韧性）也取得重大进展。

今次的研究成果非常重要，令「超级钢」在高端钢材要求的高强度、延展性和韧性三个重要指标，均达到较高水平，目前没有任何钢材物料能及。团队计划与业界合作，首先在高强桥梁缆索、防弹衣和汽车弹簧等方面制作原型，进行测试，有望把研发成果工业化和商品化。

黄明欣教授

钢是日常普遍使用的合金材料，汽车、航空及国防等工业对金属材料的要求，既要超高强度来大幅度提高结构承重抗变形的能力（屈服强度），也要有良好的延展性（能伸延扭曲）和韧性（不容易折断碎裂），让零部件能够精准成型，并防止出现材料和部件意外失效的情况。传统的科学观点，金属的强度、延展性和韧性三种属性有着此消彼长的关系，即提升其中一种属性的功能时，其余的一或两种会相应降低，三者无法俱得。

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「超级钢」经仪器测试抗断裂能力

黄教授团队的「超级钢」研究，早前在高强度和高延展性的组合上突破极限，在维持钢材的超高强度下，仍然能精准成型，今次进一步针对强度和韧性这个艰难组合，取得突破。

团队和柏克莱大学、美国劳伦斯柏克莱国家实验室的Robert O. Ritchie教授的团队合作，成功突破超高强钢的屈服强度 - 韧性组合极限，研发出同时具备较高屈服强度（~2GPa）、较佳韧性（102MPam?）、良好延展性（19%的均匀延伸率）兼低成本的「超级钢」（又称D&P钢，因为其制作是通过崭新的「变形及配分」Deformed & Partitioned 简称为D&P的方法））（见图1和图2）。

图1（A）D&P钢的三维立体组织结构；（B） 三维图解模型展示了D&P钢的独特片层状结构。

图2（A）工程应力应变曲线 和（B）J-积分阻力曲线。展示了D&P钢同时具有较高的屈服强度、韧性、延展性。（C）D&P钢的断口形貌：其断面有大量不同尺度的晶界开裂裂纹。

在工业应用上，高端的钢材必须具备良好的断裂韧性，即抵抗断裂的能力，除耐用外更重要是避免构件提前失效导致意外。一直以来，提升钢材强度往往会降低其韧性，导致材料脆性增加，而有关的研究工作相当艰巨，因为当强度进入超高范围时，进一步改善材料韧性的难度将以倍增。

目前，工业生产钢材1.7GPa已属很高的屈服强度，应用于桥梁缆索，其韧性度最高也未能超越65MPa?m?，用于装甲运兵车等军用钢材，也仅在这个水平。琴弦的钢丝，屈服强度高达2.6 - 2.9GPa以维持音准，但韧性非常低，因而容易断裂。

黄明欣教授展示一片「超级钢」，轻薄的钢料具备超强的抗断裂能力（韧性）、承重抗变形能力（强度）及延展性。

因此，团队研发的D&P钢，在维持高硬度下，其断裂韧性超越现有钢材，目前未有任何工业应用的钢材能及。其效能也比现有航空航天用的马氏体时效钢（例如 Grade 300，其屈服强度和断裂韧性分别是1.8 GPa和70 MPa? m?）为高，而成本却只有其5分之1。（见图3）

图3 D&P钢与其它结构材料的屈服强度-均匀延伸率及屈服强度-断裂韧性对比，其具有较优的屈服强度、均匀延伸率和断裂韧性的结合。

在科学层面，团队发现D&P钢材具有非常独特的断裂方式 - 在主裂纹下方形成很多微小裂纹，这些微小裂纹能有效吸收由外力引致的能量，从而大幅提高钢材的断裂韧性，远高于目前使用的钢材料。团队开创性地提出「晶界分层开裂增韧」- 通过增加材料屈服强度以启动新的增韧机制，大幅提高钢材料的韧性。

「超级钢」展示韧性 （102MPa?m?）

「为了满足可持续性发展的需求，全球工业界一直致力于开发及应用高强高韧的轻质、低成本新型结构材料。D&P钢不单解决了强度和韧性之间的矛盾，还具有制造方法简单及低成本等众多优势。D&P钢可通过轧制与热处理等工业界广泛使用的加工方法制造，无需额外复杂工序。」论文第一作者、黄明欣教授的博士生刘丽女士说。

黄教授说：「今次进一步开发超级D&P钢达至极高的韧性，而高韧性是工业化应用的前提条件，研究成果为实现超级D&P钢的工业化应用往前迈进了一大步。这新超级钢材具备潜力，应用于制造高级防弹衣、高强桥梁缆索、汽车及装甲运兵车的轻量化、航空航天领域、建筑领域的高强螺栓和螺母等多方面。」

团队在《科学》发表，题为《晶界分层断裂实现超高强钢增韧》的论文从下方获取。

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