钢合金的新处理方法带来了卓越的强度和塑性

来源：cnBeta 　2023-08-21 19:47:32

在一种优质钢材合金上测试的一种新处理方法可获得显著的强度和柔韧性，而这两种品质通常被视为一种权衡而非组合。这种处理方法在钢的最外层产生的超细金属颗粒似乎在应变下拉伸、旋转然后伸长，从而产生了普渡大学研究人员无法完全解释的超塑性。

通过对 T-91 钢合金进行新的处理，产生了一种强度更高、韧性更强的钢合金，这种钢合金被称为 G-T91，其超细金属晶粒显示出超塑性。普渡大学和桑迪亚国家实验室的这一发现可能会彻底改变汽车车轴和悬挂电缆等应用，但其确切机制仍是一个谜。

研究人员对 T-91 进行了处理，T-91 是一种改良合金钢，主要用于核工业和石化工业，但研究人员表示，这种处理方法也可用于其他需要高强度、韧性钢材的地方，如汽车车轴、悬挂电缆和其他结构部件。这项研究是与桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）合作进行的，已申请了专利，于 5 月 31 日发表在本周三的《科学进展》（Science Advances）上。

(资料图)

与T-91强度更高、可塑性更强的直接结果相比，更引人关注的是桑迪亚实验室的观察结果，这些观察结果显示了研究小组所称的"纳米层"的特征，即在从表面延伸到约200微米深度的区域内，处理过程中产生的超细金属颗粒。普渡大学材料工程学院教授、论文第一作者张星航（Xinghang Zhang）说，显微镜图像显示，经过处理的钢材（被称为 G-T91（或梯度 T91））在承受越来越大的应力时会发生意想不到的变形。

"这是一个复杂的过程，研究界以前从未见过这种现象，"张说。"顾名思义，G-T91 表现出超塑性，但实现这一现象的确切机制尚不清楚。"

钢等金属在肉眼看来可能是整体的，但如果将其放大，就会发现金属棒是由称为晶粒的单个晶体组成的。当金属受到应变时，晶粒能够发生变形，从而保持金属结构不破裂，使金属能够伸展和弯曲。较大的晶粒比较小的晶粒能容纳更大的应变，这是在大晶粒易变形金属和小晶粒坚固金属之间进行固定权衡的基础。

在《科学进展》（Science Advances）这篇论文中，第一作者Shang Zhongxia（曾是张颖实验室的研究生）利用压应力和剪切应力将T-91样品表面的大晶粒破碎成小晶粒。样品的横截面显示，晶粒尺寸从表面开始增大，最小的超细晶粒尺寸不到100纳米，而在材料中心，晶粒尺寸要大10到100倍。

改良后的 G-T91 样品的屈服强度约为 700 兆帕斯卡（拉应力单位），可承受约 10% 的均匀应变，比标准 T-91 的综合强度和塑性有了显著提高。

现任普渡大学伯克纳米技术中心（Birck Nanotechnology Center）研究员的Shang说："这就是这种结构的美妙之处，它的中心是软的，因此可以维持塑性，但通过引入纳米层压板，表面变得更硬了。如果创造出这种梯度，大颗粒在中心，纳米颗粒在表面，它们就会协同变形。大晶粒负责拉伸，小晶粒负责承受应力，如此可以制造出一种兼具强度和延展性的材料"。

虽然研究小组曾假设梯度纳米结构 G-T91 的性能会优于标准 T-91，但在拉伸测试过程中每隔一段时间拍摄的扫描电子显微镜图像却揭示了一个谜。桑迪亚公司在扫描电子显微镜下拍摄的电子反向散射衍射图像显示了G-T91纳米层状结构中的晶粒是如何在真实应变（一种塑性测量指标）从0%到120%不断增加的过程中发生变化的。在这一过程的开始阶段，晶粒是垂直的，研究小组将其描述为透镜状。但随着应变的增加，它们似乎拉伸成更球状的形状，然后旋转，最后水平拉长。

这些图像显示了晶粒之间的界面（称为晶界）在移动，从而使晶粒得以伸展和旋转，并使钢材本身发生塑性变形。研究小组已经获得了美国国家科学基金会的资助，以研究晶界运动的规律，从而了解梯度材料的奇妙变形行为。

"如果我们知道它们是如何运动以及为什么运动，也许我们就能找到更好的方法来排列晶粒。张说："我们还不知道如何做到这一点，但这开启了非常有趣的潜力。"

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