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2018
05-13

一个新的转折使更好的钢铁


更高的强度而不损失延展性

通过在芯部(a)处保持延展性而扭曲变形的钢筒。平行线表示更接近表面的“变形双胞胎”(b,c),这是衡量更大强度的指标。学分:高实验室/布朗大学

 

 

 

在钢铁制造领域,两个理想的品质 - 强度和延展性往往不一致:钢的韧性较差,韧性较差的钢不如此强。布朗大学,三所中国大学和中国科学院的工程师们已经证明,当钢瓶扭曲时,其强度得到改善,而不会牺牲延展性。来自布朗大学和中国大学的研究人员发现了一种简单的技术,可以在不牺牲延展性的情况下加强钢材。在 Nature Communications 中描述的新技术可以生产在许多结构应用中表现更好的钢。

强度和延展性都是重要的材料特性,特别是在结构应用中使用的材料。强度是衡量导致材料弯曲或变形所需的力量。延展性是衡量一种材料可以伸展多少而不会断裂的尺度。缺乏力量的材料往往会疲劳,随着时间的推移缓慢失败。缺乏延展性的材料可能会粉碎,导致突然和灾难性的失败。

钢是一种既坚固又韧性的稀有材料之一,这就是为什么它作为结构材料无处不在。然而,和钢铁一样好,工程师们正在不断努力使其变得更好。问题在于使钢更强的方法倾向于牺牲延展性,反之亦然。 Brown的工程教授,高级作者高华建说:“我们称之为强度 - 延展性的折衷。”他和他的同事们已经找到了一种解决方法,用一种称为孪生诱导塑性(TWIP)钢的特殊钢材制造圆柱体。

通过所谓的加工硬化,TWIP钢可以变得更坚固。加工硬化是通过使钢材变形来加强钢材的过程 - 弯曲钢材,压平钢材,或用锻造锤击钢材。当TWIP钢变形时,在其原子晶格中形成称为形变孪晶的纳米结构。变形双胞胎是在任一侧具有相同晶体结构的线性边界,在边界上形成镜像。孪生结构已知使TWIP钢更坚固,但就像其他硬化钢的方式一样,有一个延展性的折衷。

为了避免这种折衷,Gao和他的同事们在变形过程中引入了一个新的扭曲 - 字面意思。 Gao和他的同事们不是通过锤击或弯曲来使钢材变形,而是用TWIP钢制的小圆柱体将其扭曲。扭曲运动导致圆柱体外部的分子比朝向核心的分子变形的程度大得多。这个想法有点像赛道上的跑步者。那些跑在外线的人比内线的跑者有更多的掩护。

由于扭曲运动使得外部变形比内部多,形变孪生仅形成朝向圆柱体的表面。核心基本保持不变。

结果是两个世界上最好的钢筒 - 气缸表面变得更强,更耐开裂,而内部保留其原有的延展性。 Gao说:“基本上,我们把材料分成靠近表面的硬化部分和靠近芯部的较软部分。 “这使我们能够在不牺牲延展性的情况下加倍力量。”

实验室的工作是用非常小的圆柱体完成的,长度为几厘米。然而,没有任何迹象表明,这个过程不能放大到更大的气瓶,高说。最终,Gao和他的同事希望他们的技术能够用于预处理需要圆柱形车轴或汽车传动轴的钢材。特别是,Gao认为扭转钢是高速车桥的一个很好的选择 列车。 “

”对于这样的轴组件来说,具有高强度和高延展性至关重要,“Gao说。 “在这种系统中,尽可能地推动这种强度 - 延展性极限是至关重要的。”

Gao的合着者是Yujie Wei(主要作者,前布朗博士后),Li Yongqiang Li,Lianchun Zhu,中国科学院力学研究所非线性力学重点实验室姚柳,上海大学微结构实验室王刚;北京科技大学吴延新吴振立;刘家斌,王洪涛,浙江大学。

来源:布朗大学