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香港大学新型超级钢研发取得重大进展

来源:爱锐头条

时间2020-06-02

超级钢

摘要:此种新钢材的抗断裂性大大提升,同时具有强大的强度,可用于先进工业应用。


据外媒报道,香港大学(University of Hong Kong,HKU)机械工程系教授Huang Mingxin领头,与美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Lab,LBNL)的研究人员合作开展了超级钢(Super Steel)项目,并在新型超级D&P钢方面(采用新型变形和分层法制成)取得了重大进展。此种新钢材的抗断裂性大大提升,同时具有强大的强度,可用于先进工业应用。


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(图片来源:香港大学)


钢是一种常用合金,因此材料科学家和工程师们都在不断寻找新一代钢材,即更容易延展成不同形状和结构(延展性)、具有更强的抗变形能力(强度)和抗断裂性(韧性)、重量轻且生产成本低的新钢材。


该项任务很困难,因为传统观点认为,提高一种金属性能的表现,无论是强度、延展性还是韧性,就会破坏其他一种或多种金属性能。例如,增加强度就会不可避免地让金属更脆(权衡强度-韧性);或者不太柔韧,无法被拉伸成不同形状(权衡强度-延展性)。


此前,该团队已经显著提高了D&P钢的强度-延展性性能,因此,超级D&P钢的三种金属性能都达到了前所未有的高水平,这也是此前任何钢铁材料无法达到的。


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(图片来源:香港大学)


该团队在美国、欧盟和中国申请了多项专利,并一直与工业合作伙伴保持联系,生产高强度桥梁电缆、防弹背心和汽车弹簧原型,以进一步测试和试验新钢材。D&P钢取得的最新突破由香港大学与美国劳伦斯伯克利国家实验室Robert O. Ritchie教授研究团队取得,使得新钢材的屈服抗变形强度约为2GPa、抗断裂性达102MPam½、均匀延伸率达19%。


研究小组还在超级D&P钢的结构方面取得了重大科学发现。超级钢通过一种新型 “高强度诱导多层分层”增韧机制,具备了一种独特的抗断裂性特征,其中主断裂表面下形成了多个微裂纹,而微裂纹能够有效吸收来自外部作用力的能量,使新超级钢的韧性比现有的钢材高得多。


目前,高强度桥梁电缆钢的屈服强度低于1.7 GPa,抗断裂强度低于65 MPa m½,用于装甲车的高强度钢的最大强度-韧性性能也与之类似。因此,D&P钢的韧性水平比现有的钢材要高得多,同时保持超强的强度。


例如,钢琴钢丝强度超高,为2.6 GPa到2.9 GPa之间,具抗变形能力以保持乐器的音质,但是此种强度是以牺牲韧性为代价的,反过来会让其非常脆弱。


与此同时,D&P钢的原材料的成本只有目前航天航空中所用的马氏体钢成本的20%,后者的屈服强度和抗断裂起始韧度分别为1.8 GPa和70 MPa m½。


研究人员表示:“D&P钢还有其他优势,例如工业加工简单、原材料成本低。可以通过传统的轧制和退火工艺,无需复杂的制造路线和特殊设备就可制成。现在,我们离新型超级钢的工业化又近了一步,其展示出巨大的应用潜力,可用于高级防弹背心、桥梁电缆、轻型汽车、军用车辆、航空航天以及建筑行业的高强度螺栓和螺母。”

关键词: 超级钢

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