新的處理方法使鋼鐵合金更加堅固和靈活
強度和柔韌性是鋼鐵中通常需要平衡的兩個對立面。但是現在普渡大學和桑迪亞國家實驗室的工程師們已經開發出一種新的處理方法,可以應用於鋼合金,使其同時具有更強的強度和更高的延展性,這可能在能源和航空航天領域有一系列的用途。
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強度是衡量一種材料在失效前能承受多大的負荷,而延展性則衡量它能多容易被延伸或拉長成不同的形狀。這兩種特性通常是相互矛盾的,導致需要根據手頭的應用來進行權衡。在金屬中,這一切都歸結為構成材料的微小晶粒。較大的晶粒更善於變形,以實現更好的延展性,而較小的晶粒可以處理更多的應變並提高強度。
在一項新的研究中,科學家們開發了一種鋼的處理方法,通過調整這些晶粒可以更好地平衡強度和延展性。研究小組對一種被稱為T-91的鋼合金進行了處理,產生了一種他們稱之為梯度T-91(G-T91)的新材料,顧名思義,這種材料的整個晶粒大小是有梯度的。
這種處理方法形成了一層薄薄的超細金屬晶粒,從表面一直到材料中的大約200微米。外面的晶粒長度不到100納米,而中間的晶粒則高達100倍。這使G-T91具有700兆帕的屈服強度–比未經處理的T-91提高了36%–以及比T-91提高50%的塑性。
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“這就是結構的魅力;中心是軟的,所以它可以維持塑性,但通過引入納米層,表面變得更硬,”該研究的主要作者Shang Zhongxia說。”如果你創造這種梯度,中心有大顆粒,表面有納米顆粒,它們會協同變形。大晶粒負責拉伸,小晶粒則是為了適應壓力。現在你可以製造一種具有強度和延展性相結合的材料。”
為了了解這一點是如何運作的,研究小組在應用應變的不同階段拍攝了材料的掃描電子顯微鏡圖像。通常情況下,靠近表面的超細晶粒是垂直方向的,但隨著施加更多的應變,它們開始呈現出更多的球狀,然後轉向並水平伸展。這使得鋼能夠更有效地變形。
但研究小組說,這些晶粒究竟是如何以及為什麼移動的,仍然是一個謎。未來的工作將對此進行調查,這可能有助於發現更好的方法來安排晶粒,以製造具有不同特性的材料。
該研究發表在《科學進展》雜誌上。