具有超高強度的金屬材料通常應用于汽車、航空及國防工業(yè)，但材料的強度與延展性通常是“魚與熊掌不可兼得”。美國《科學》雜志8月24日發(fā)表了中國京港臺三地科學家的合作科研成果，他們發(fā)明的一種超級鋼實現(xiàn)了鋼鐵材料在屈服強度超過2000兆帕時延展性的“巨大提升”。
屈服強度是金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時的極限，大于這個強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，獲得同時具有超高強度和高延展性的金屬材料，在科學界和工業(yè)界一直是有高度挑戰(zhàn)性的研發(fā)目標。
研究負責人之一、北京科技大學羅海文教授告訴新華社記者，最新發(fā)明的超級鋼達到了前所未有的2200兆帕的屈服強度和16％的均勻延伸率，“具有最優(yōu)的強度和延展性的結合”。
此外，該鋼還有兩大優(yōu)點。第一，成本較低。這種超級鋼是成分簡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，這種超級鋼具備在鋼鐵企業(yè)進行百噸級規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的潛力。
羅海文說，該超級鋼性能優(yōu)越，是因為他們在鋼材中引入高密度的可動位錯。位錯是鋼材變形時在鋼材內(nèi)部形成的缺陷。教科書中的經(jīng)典理論認為，位錯越多，強度確實會顯著提高，但這些位錯會相互糾纏導致位錯無法運動，因此延展性就會顯著降低。而他們通過采用新的成分體系加上結合使用多種制備工藝，在鋼中產(chǎn)生大量可動位錯，同時實現(xiàn)了超高強度和高延展性。
羅海文還介紹，他們主要依托北京科技大學中試規(guī)模的試驗線試制出該超級鋼，該試驗線具備現(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)，仍需要對現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)的相關設備進行技術改造，并不能馬上直接生產(chǎn)。
這項研究被譽為京港臺三地科學家精誠合作的典型成功范例，其中香港大學黃明欣博士團隊前瞻性地提出通過提高位錯密度可同時實現(xiàn)提高強度和延展性的創(chuàng)新理論；羅海文教授團隊成功地在鋼材中引入了大量的可移動位錯；臺灣大學顏鴻威團隊通過材料的先進表征技術證實了上述理論的正確性。根據(jù)該發(fā)明的新成分與工藝，他們已申報了三項相關專利。
