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新技術(shù)可讓鋼材的強度和韌性同時兼得

發(fā)布時間:2021-06-09 來源: 原創(chuàng) 瀏覽量:1711
摘要:?對鋼材而言,強度和韌性是衡量品質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn),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(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(xiàn)了一種簡單的技術(shù),能在提高鋼鐵的強度的同時不犧牲其韌性,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。

對鋼材而言,強度和韌性是衡量品質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn),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(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(xiàn)了一種簡單的技術(shù),能在提高鋼鐵的強度的同時不犧牲其韌性,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(jié)構(gòu)應(yīng)用中所使用的材料對這兩項標(biāo)準(zhǔn)更是有著嚴(yán)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(dǎo)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(zāi)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(jié)構(gòu)材料被廣泛應(yīng)用的一個重要原因。但是科學(xué)家們?nèi)匀徊粷M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(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)教授高華健(音譯)和他的同事發(fā)現(xiàn),通過對一種名為孿晶誘導(dǎo)塑性(TWIP)鋼材進行預(yù)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(dāng)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(zhuǎn)運動的加工工藝。這種工藝會導(dǎo)致圓柱形鋼材外部的分子的變形幅度大于內(nèi)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(nèi)道。由于外側(cè)變形的程度要大于內(nèi)側(cè),變形孿晶只在圓柱形鋼材的表面形成,而內(nèi)部則基本上保持不變。其結(jié)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(nèi)部則具有極好的延展性。


高華健說:“從本質(zhì)上講,我們讓材料具備了外硬內(nèi)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(shù)可以用于鋼材的預(yù)處理中,用這種技術(shù)可以生產(chǎn)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(yīng)用。  

     (中國機械網(wǎng))

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