【引言】

為滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的要求，工程應(yīng)用中不斷追求輕質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料。然而，獲得高強(qiáng)度通常是以破壞韌性為代價(jià)的，這對(duì)于安全性至關(guān)重要的應(yīng)用而言始終是主要關(guān)注點(diǎn)。結(jié)構(gòu)金屬和合金的強(qiáng)化機(jī)制是建立在通過(guò)引入不同長(zhǎng)度尺度的各種障礙物來(lái)抑制或阻止位錯(cuò)滑移的基本原理上的。但是，大量的位錯(cuò)糾纏在微小的缺陷中，會(huì)產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致裂紋萌生，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的失效。克服強(qiáng)度-韌性權(quán)衡的主流努力集中在定制微觀結(jié)構(gòu)或通過(guò)固溶合金化設(shè)計(jì)材料上。由于變形誘導(dǎo)的納米孿晶機(jī)制，多元素高、中熵合金在低溫下具有特殊的損傷容限。馬氏體時(shí)效鋼是另一個(gè)例子，它被認(rèn)為是航空航天應(yīng)用中最強(qiáng)的金屬合金，具有可接受的損傷容限。然而，馬氏體時(shí)效鋼含有大量昂貴的合金元素，如鎳（17-19 wt %）、鈷（8-12 wt %）和鉬（3-5 wt %）。盡管馬氏體時(shí)效鋼的合金化策略是獲得優(yōu)異機(jī)械性能的理想工具，但由于成本和環(huán)境方面的考慮，無(wú)法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)的批量生產(chǎn)和回收。降低平均晶粒尺寸是提高強(qiáng)韌性組合的另一種非合金化途徑。然而，這種方法可能是有限的，因?yàn)閺?qiáng)化通常是以失去延展性為代價(jià)實(shí)現(xiàn)的。

【成果簡(jiǎn)介】

今日，在香港大學(xué)黃明欣教授和美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Robert O. Ritchie教授（共同通訊作者）團(tuán)隊(duì)等人帶領(lǐng)下，超強(qiáng)鋼可以實(shí)現(xiàn)特殊的損傷容限，并采用簡(jiǎn)單的成分和具有成本效益的加工路線進(jìn)行制造。研究表明，提高屈服強(qiáng)度并不會(huì)對(duì)韌性產(chǎn)生不利影響，相反，它可以促進(jìn)分層增韌機(jī)制的激活，從而大大提高了韌性。具體來(lái)說(shuō)，超高屈服強(qiáng)度使得能夠在垂直于主斷裂表面的界面處形成第二斷裂模式，即分層裂紋。由于分層的發(fā)生，在斷裂面附近發(fā)展出多條分離的層狀韌帶，為斷裂提供了額外的能量釋放速率，同時(shí)也增強(qiáng)了裂紋尖鈍化，共同提高了整體的斷裂韌性。這種分層增韌與變形誘導(dǎo)塑性（TRIP）增韌相結(jié)合的增韌過(guò)程很少在結(jié)構(gòu)材料中同時(shí)實(shí)現(xiàn)。這種組合使鋼材具有了強(qiáng)度、延展性和韌性的奇妙組合。相關(guān)成果以題為“Making ultrastrong steel tough by grain-boundary delamination”發(fā)表在了Science。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 鋼的微觀組織

圖2 鋼的拉伸和斷裂性能

圖3 鋼中的增韌機(jī)理

圖4 斷裂韌性與屈服強(qiáng)度的Ashby圖

文獻(xiàn)鏈接：Making ultrastrong steel tough by grain-boundary delamination（Science，2020，DOI:10.1126/science.aba9413）