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MTS 810材料測試系統

黃明欣教授和博士生劉麗女士

「超級鋼」在抗斷裂能力獲得重大突破，令「超級鋼」在高端鋼材要求的高承重抗變形能力（強度）、伸延扭曲成型（延展性）和抗斷裂能力（韌性）三個重要指標，均達到較高水平，目前沒有任何鋼材物料能及。

香港大學機械工程系黃明欣教授領導的「超級鋼」研發項目，繼于三年前在鋼材的延展性取得重大突破后，團隊與美國柏克萊國家實驗室于5月8日在學術期刊《科學》（Science）合作發表的研究報告，在提升「超級鋼」的抗破裂折斷能力（韌性）也取得重大進展。

今次的研究成果非常重要，令「超級鋼」在高端鋼材要求的高強度、延展性和韌性三個重要指標，均達到較高水平，目前沒有任何鋼材物料能及。團隊計劃與業界合作，首先在高強橋梁纜索、防彈衣和汽車彈簧等方面制作原型，進行測試，有望把研發成果工業化和商品化。

黃明欣教授

鋼是日常普遍使用的合金材料，汽車、航空及國防等工業對金屬材料的要求，既要超高強度來大幅度提高結構承重抗變形的能力（屈服強度），也要有良好的延展性（能伸延扭曲）和韌性（不容易折斷碎裂），讓零部件能夠精準成型，并防止出現材料和部件意外失效的情況。傳統的科學觀點，金屬的強度、延展性和韌性三種屬性有著此消彼長的關系，即提升其中一種屬性的功能時，其余的一或兩種會相應降低，三者無法俱得。

MTS 647 液壓夾具「超級鋼」經儀器測試抗斷裂能力

黃教授團隊的「超級鋼」研究，早前在高強度和高延展性的組合上突破極限，在維持鋼材的超高強度下，仍然能精準成型，今次進一步針對強度和韌性這個艱難組合，取得突破。

團隊和柏克萊大學、美國勞倫斯柏克萊國家實驗室的Robert O. Ritchie教授的團隊合作，成功突破超高強鋼的屈服強度 - 韌性組合極限，研發出同時具備較高屈服強度（~2GPa）、較佳韌性（102MPam½）、良好延展性（19%的均勻延伸率）兼低成本的「超級鋼」（又稱D&P鋼，因為其制作是通過嶄新的「變形及配分」Deformed & Partitioned 簡稱為D&P的方法））（見圖1和圖2）。

圖1（A）D&P鋼的三維立體組織結構；（B） 三維圖解模型展示了D&P鋼的獨特片層狀結構。

圖2（A）工程應力應變曲線 和（B）J-積分阻力曲線。展示了D&P鋼同時具有較高的屈服強度、韌性、延展性。（C）D&P鋼的斷口形貌：其斷面有大量不同尺度的晶界開裂裂紋。

在工業應用上，高端的鋼材必須具備良好的斷裂韌性，即抵抗斷裂的能力，除耐用外更重要是避免構件提前失效導致意外。一直以來，提升鋼材強度往往會降低其韌性，導致材料脆性增加，而有關的研究工作相當艱巨，因為當強度進入超高范圍時，進一步改善材料韌性的難度將以倍增。

目前，工業生產鋼材1.7GPa已屬很高的屈服強度，應用于橋梁纜索，其韌性度最高也未能超越65MPa?m½，用于裝甲運兵車等軍用鋼材，也僅在這個水平。琴弦的鋼絲，屈服強度高達2.6 - 2.9GPa以維持音準，但韌性非常低，因而容易斷裂。

黃明欣教授展示一片「超級鋼」，輕薄的鋼料具備超強的抗斷裂能力（韌性）、承重抗變形能力（強度）及延展性。

因此，團隊研發的D&P鋼，在維持高硬度下，其斷裂韌性超越現有鋼材，目前未有任何工業應用的鋼材能及。其效能也比現有航空航天用的馬氏體時效鋼（例如 Grade 300，其屈服強度和斷裂韌性分別是1.8 GPa和70 MPa? m½）為高，而成本卻只有其5分之1。（見圖3）

圖3 D&P鋼與其它結構材料的屈服強度-均勻延伸率及屈服強度-斷裂韌性對比，其具有較優的屈服強度、均勻延伸率和斷裂韌性的結合。

在科學層面，團隊發現D&P鋼材具有非常獨特的斷裂方式 - 在主裂紋下方形成很多微小裂紋，這些微小裂紋能有效吸收由外力引致的能量，從而大幅提高鋼材的斷裂韌性，遠高于目前使用的鋼材料。團隊開創性地提出「晶界分層開裂增韌」- 通過增加材料屈服強度以啟動新的增韌機制，大幅提高鋼材料的韌性。

「超級鋼」展示韌性 （102MPa?m½）

為了滿足可持續性發展的需求，全球工業界一直致力于開發及應用高強高韌的輕質、低成本新型結構材料。D&P鋼不單解決了強度和韌性之間的矛盾，還具有制造方法簡單及低成本等眾多優勢。D&P鋼可通過軋制與熱處理等工業界廣泛使用的加工方法制造，無需額外復雜工序。論文第一作者、黃明欣教授的博士生劉麗女士說。

黃教授說：今次進一步開發超級D&P鋼達至極高的韌性，而高韌性是工業化應用的前提條件，研究成果為實現超級D&P鋼的工業化應用往前邁進了一大步。這新超級鋼材具備潛力，應用于制造高級防彈衣、高強橋梁纜索、汽車及裝甲運兵車的輕量化、航空航天領域、建筑領域的高強螺栓和螺母等多方面。

來源：美特斯中國