揭開不鏽鋼納米結構變形的規律 為研發既強且韌新型合金跨進一步

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Snapshots of secondary twinning in the first nanotwins
在一級孿晶中間產生二級孿晶的過程。

香港城市大學(香港城大)領導的科研團隊經過多年努力,找出了不鏽鋼納米結構變形的規律,為制造高強度、高靭性的新型合金,奠下了理論基礎,邁進了一步。

納米孿晶(nanotwins)是讓材料能夠兼具高強度和高韌性的納米片層結構,科學家們已證實,孿晶級數越高,材料的孿晶結構密度便越高,材料的強度和韌性也就越好。由於目前大多數材料或合金都面對同樣的難題:材料的強度越高,延展性和韌性則越低,意即堅固的材料較難變形或拉伸而不斷裂。因此,對於一直想研發具備高強度、高韌性的新型材料的材料科學家們而言,增加材料當中的納米孿晶的密度,是其中一個重要手段。

香港城大副校長(研究及科技)兼機械工程學講座教授呂堅教授領導的研究團隊,聯同上海理工大學和浙江大學的專家組成的研究團隊,經過多年的努力,近日取得突破,成功找出了在奧氏體不鏽鋼裡產生高密度納米孿晶的規律︰當納米孿晶的片層距離(twin-lamella spacing)、即孿晶與孿晶之間的距離等於或小於5納米、6至129納米之間,及大於129納米時,變形機制完全不同。當片層距離等於5納米或以下時,會以出現一級孿晶和退孿晶化(即孿晶結構消失)為主,而當片層距離處於6至129納米之間時,則最有利於二級孿晶的產生,變形以二級孿晶為主,整體的孿晶密度也隨之提高。

有關研究成果最近以「不鏽鋼中納米孿晶變形轉變的尺度規律」為題,發表於科學期刊《自然通訊》上。

Schematic illustration of the deformation modes of nanotwins
不鏽鋼中納米孿晶的變形圖譜。

呂教授表示,下一步研究方向是針對目前材料科學研究領域裡最火熱的高熵合金以及其他廣泛應用的工程材料,找出如何實現多級數的孿晶結構,來進一步提升材料的力學性能,另一個研究方向則是研究如何在不鏽鋼裡實現更多級數的孿晶結構。

高熵合金是由五種或更多種等量或相近等量的金屬制成的新型材料,由於其良好的物理特性,在航空工程等結構應用方面具有很大潛力,故此在材料科學及工程領域上備受關注。由美國國家科學院、美國國家工程院和美國國家醫學院最近聯合發表的《材料研究前沿︰十年概述(2019)》(Frontiers of Materials Research: A Decadal Survey (2019)),便預示了傳統金屬和合金、高熵合金和納米結構的金屬合金,是未來十年三大最具潛力的研究方向,正與這次研究的主題不謀而合。

呂教授說︰“我們的研究完全符合未來材料科學的發展方向。納米孿晶不鏽鋼既是傳統合金又是納米結構合金,這次研究的新進展能提高傳統金屬材料的性能,同時有望提升高熵合金等新材料的特性。此前香港城大的大學傑出教授劉錦川教授研發的新型合金改良自高熵合金,還有我另一個團隊較早前研制的超強鎂合金,均顯示香港城大在材料科學研究領域一直走在世界前端。”

呂教授指出,高熵合金的層錯能(stacking fault energy)很低,十分有利於產生孿晶結構。目前他們的研究已證明了在傳統合金和工程合金都可以產生多級納米孿晶,因此配以他研發的「修改納米結構的表面機械研磨處理(SMAT)」方法,很有信心能造出具多級孿晶結構的高熵合金。

Professor Lu Jian (left) and one of the first authors Dr Sun Ligang from CityU
呂堅教授(左)相信,這次研究成果為下一步研發新型工程材料和新型合金,奠下了理論基礎。旁為文章的其中一位第一作者孫李剛博士。

文章第一作者是上海理工大學陳愛英博士、浙江大學朱林利博士和香港城大孫李剛博士,他們三位均是呂教授在香港城大的研究隊伍的現任或前任成員。此項研究獲國家重點研發計劃和國家自然科學基金資助。

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