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中國超級(jí)鋼研究取得“巨大提升”
發(fā)布時(shí)間：
2017-08-28
具有超高強(qiáng)度的金屬材料通常應(yīng)用于汽車、航空及國防工業(yè)，但材料的強(qiáng)度與延展性通常是“魚與熊掌不可兼得”。美國《科學(xué)》（《Science》）雜志24日發(fā)表了中國京港臺(tái)三地科學(xué)家的合作科研成果，他們發(fā)明的一種超級(jí)鋼實(shí)現(xiàn)了鋼鐵材料在屈服強(qiáng)度超過2000兆帕?xí)r延展性的“巨大提升”。
屈服強(qiáng)度是金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的極限，大于這個(gè)強(qiáng)度的外力作用將使材料永久變形。如何通過工業(yè)上常用的加工工藝，獲得同時(shí)具有超高強(qiáng)度和高延展性的金屬材料，在科學(xué)界和工業(yè)界一直是有高度挑戰(zhàn)性的研發(fā)目標(biāo)。
研究負(fù)責(zé)人之一、北京科技大學(xué)羅海文教授告訴記者，最新發(fā)明的超級(jí)鋼達(dá)到了前所未有的2200兆帕的屈服強(qiáng)度和16%的均勻延伸率，“具有最優(yōu)的強(qiáng)度和延展性的結(jié)合”。
此外，該鋼還有兩大優(yōu)點(diǎn)。
第一，成本較低。這種超級(jí)鋼是成分簡(jiǎn)單的中錳鋼成分體系，含有10%錳、0.47%碳、2%鋁、0.7%釩，這些都是現(xiàn)在廣泛使用的鋼材料中常見的合金元素，并沒有通過大量使用昂貴的合金元素來提高強(qiáng)韌性；
第二，該鋼是通過工業(yè)界廣泛使用的加工工藝來制備，如熱軋、冷軋、熱處理等常規(guī)工業(yè)制備工藝，而不是采用那些難以規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)的特殊加工工藝來制備。因此，這種超級(jí)鋼具備在鋼鐵企業(yè)進(jìn)行百噸級(jí)規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的潛力。
羅海文說，該超級(jí)鋼性能優(yōu)越，是因?yàn)樗麄冊(cè)阡摬闹幸敫呙芏鹊目蓜?dòng)位錯(cuò)。位錯(cuò)是鋼材變形時(shí)在鋼材內(nèi)部形成的缺陷。教科書中的經(jīng)典理論認(rèn)為，位錯(cuò)越多，強(qiáng)度確實(shí)會(huì)顯著提高，但這些位錯(cuò)會(huì)相互糾纏導(dǎo)致位錯(cuò)無法運(yùn)動(dòng)，因此延展性就會(huì)顯著降低。而他們通過采用新的成分體系加上結(jié)合使用多種制備工藝，在鋼中產(chǎn)生大量可動(dòng)位錯(cuò)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超高強(qiáng)度和高延展性。
羅海文還介紹，他們主要依托北京科技大學(xué)中試規(guī)模的試驗(yàn)線試制出該超級(jí)鋼，該試驗(yàn)線具備現(xiàn)今工業(yè)生產(chǎn)線所沒有的軋制能力。因此，如果要工業(yè)化生產(chǎn)，仍需要對(duì)現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，并不能馬上直接生產(chǎn)。
這項(xiàng)研究被譽(yù)為京港臺(tái)三地科學(xué)家精誠合作的典型成功范例，其中香港大學(xué)黃明欣博士團(tuán)隊(duì)前瞻性地提出通過提高位錯(cuò)密度可同時(shí)實(shí)現(xiàn)提高強(qiáng)度和延展性的創(chuàng)新理論；羅海文教授團(tuán)隊(duì)成功地在鋼材中引入了大量的可移動(dòng)位錯(cuò)；臺(tái)灣大學(xué)顏鴻威團(tuán)隊(duì)通過材料的先進(jìn)表征技術(shù)證實(shí)了上述理論的正確性。根據(jù)該發(fā)明的新成分與工藝，他們已申報(bào)了三項(xiàng)相關(guān)專利。
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