新处理方法可提高钢合金性能 使其兼具强度和可塑性

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据外媒报道，普渡大学（Purdue University）测试新的处理方法，使一种高质量的钢合金同时产生卓越的强度和可塑性。通常情况下，这两种特性无法结合在一起，而是需要互相平衡。这种处理方法可以在钢的最外层产生超细金属颗粒，这些颗粒在压力下似乎会拉伸、旋转，然后拉长，以一种研究人员无法完全解释的方式赋予超塑性。

（图片来源：普渡大学）

该团队处理的是T-91（一种用于核和石化应用的改性钢合金）。研究人员表示，该处理方法也可用于其他需要强韧性钢的地方，例如车轴、悬索和其他结构部件。这项研究是与桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）合作进行，并已获得专利。

除了形成更强、更具可塑性的T-91变体，更有趣的是，观察显示，从表面延伸到约200微米深度的区域，经过处理会产生超细金属颗粒“纳米层状材料”的特征。显微图像显示，当受到的压力越来越大，经过处理的钢材（称为 G-T91或梯度T91）会发生非预期变形。普渡大学材料工程学院教授Xinghang Zhang表示：“这是一个复杂的过程，以前从未见过这种现象。根据定义，G-T91显示出超塑性，但导致这种情况的确切机制尚不明了。”

钢之类的金属看起来是个整体，但当放大时一根金属棒会显示为单个晶体颗粒的集合体。当金属受到压力，晶粒会以一定的方式发生变形，使金属结构保持不变而不会破裂，从而使金属能够拉伸和弯曲。相对来说，大晶粒可以承受比小晶粒更大的压力，因此大晶粒金属易变形，而小晶粒金属比较强劲。

研究人员Zhongxia Shang利用压缩应力和剪切应力，将T-91样品表面的大晶粒破碎成较小的晶粒。样品横截面显示，从表面到材料中心晶粒尺寸一直在增加，最小的超细晶粒尺寸小于100纳米，而材料中心的晶粒要大10-100倍。

改进G-T91样品的屈服强度约为700兆帕（拉应力单位），可承受约10%的均匀应变。比起标准T-91可达到的综合强度和可塑性，具有明显改善。Shang表示：“这就是结构之美。中心是柔软的，可以保持可塑性，而通过引入纳米层叠材料，表面变得更加坚硬。如果能创造出这种梯度，使大颗粒居于中心，表面为纳米颗粒，它们就会协同变形。大晶粒负责拉伸，小晶粒调节应力。现在，可以制造出一种兼具强度和延展性的材料。”

研究小组假定，梯度纳米结构G-T91比标准T-91的性能更好。在张力测试期间每隔一段时间拍摄的扫描电子显微镜图像揭示了一个谜团。研究人员利用桑迪亚的扫描电子显微镜拍摄电子后向散射衍射图像，以揭示G-T91纳米层状材料中的颗粒如何随着真应变（一种衡量可塑性的指标）的增加间隔（从0%到120%）而变化。在这个过程的开头，颗粒为垂直的，具有小扁豆似的形状；随着压力的增加，似乎拉伸成更接近球状，然后旋转，最后水平伸长。

研究人员认为，这些图像显示晶粒之间的界面（即晶界）移动，使晶粒可以拉伸和旋转，并使钢本身发生可塑性变形。该团队已获得美国国家科学基金会（National Science Foundation）的资助，以研究支配晶界运动的规则，有望深入了解梯度材料的变形行为，制造“具有优异拉伸塑性的梯度纳米结构钢”。Zhang 表示：“如果能了解它们如何以及为什么移动，也许可以找到一种更好的方式来排列晶粒。”

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