新技術可讓鋼材的強度和韌性同時兼得

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

強度和韌性是材料至關重要的品質，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嚴格的要求。強度用來衡量多大的作用力才能使材料發(fā)生彎曲或變形；韌性用來衡量多大的伸縮才會導致材料發(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(shù)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重要原因。但是科學家們仍然不滿意，希望它能夠更好。而問題是，煉鋼過程中提高強度的方法往往以犧牲延展性為代價，反之亦然。

據(jù)物理學家組織網(wǎng)4月9日報道，在這項新研究中，論文第一作者、布朗大學工程學教授高華?。ㄒ糇g）和他的同事發(fā)現(xiàn)，通過對一種名為孿晶誘導塑性（TWIP）鋼材進行預處理，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加工硬化工藝得到增強。所謂加工硬化工藝就是通過大量外力，使金屬材料發(fā)生塑性變形，使晶粒拉長、破碎和纖維化的過程。當TWIP鋼材變形，其原子晶格中會形成變形孿晶。不同于傳統(tǒng)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為扭轉運動的加工工藝。這種工藝會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。其原理類似于一群在環(huán)形跑道上跑步的運動員：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：“從本質上講，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，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可以用于鋼材的預處理中，用這種技術可以生產出性能極佳的車軸和其他對材料性能要求較高的機械部件，未來有望在汽車和高速列車制造中獲得應用。  

     (中國機械網(wǎng))