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據(jù)外媒報(bào)道，普渡大學(xué)（Purdue University）測(cè)試新的處理方法，使一種高質(zhì)量的鋼合金同時(shí)產(chǎn)生卓越的強(qiáng)度和可塑性。通常情況下，這兩種特性無(wú)法結(jié)合在一起，而是需要互相平衡。這種處理方法可以在鋼的最外層產(chǎn)生超細(xì)金屬顆粒，這些顆粒在壓力下似乎會(huì)拉伸、旋轉(zhuǎn)，然后拉長(zhǎng)，以一種研究人員無(wú)法完全解釋的方式賦予超塑性。

（圖片來(lái)源：普渡大學(xué)）

該團(tuán)隊(duì)處理的是T-91（一種用于核和石化應(yīng)用的改性鋼合金）。研究人員表示，該處理方法也可用于其他需要強(qiáng)韌性鋼的地方，例如車軸、懸索和其他結(jié)構(gòu)部件。這項(xiàng)研究是與桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）合作進(jìn)行，并已獲得專利。

除了形成更強(qiáng)、更具可塑性的T-91變體，更有趣的是，觀察顯示，從表面延伸到約200微米深度的區(qū)域，經(jīng)過(guò)處理會(huì)產(chǎn)生超細(xì)金屬顆粒“納米層狀材料”的特征。顯微圖像顯示，當(dāng)受到的壓力越來(lái)越大，經(jīng)過(guò)處理的鋼材（稱為 G-T91或梯度T91）會(huì)發(fā)生非預(yù)期變形。普渡大學(xué)材料工程學(xué)院教授Xinghang Zhang表示：“這是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，以前從未見(jiàn)過(guò)這種現(xiàn)象。根據(jù)定義，G-T91顯示出超塑性，但導(dǎo)致這種情況的確切機(jī)制尚不明了。”

鋼之類的金屬看起來(lái)是個(gè)整體，但當(dāng)放大時(shí)一根金屬棒會(huì)顯示為單個(gè)晶體顆粒的集合體。當(dāng)金屬受到壓力，晶粒會(huì)以一定的方式發(fā)生變形，使金屬結(jié)構(gòu)保持不變而不會(huì)破裂，從而使金屬能夠拉伸和彎曲。相對(duì)來(lái)說(shuō)，大晶粒可以承受比小晶粒更大的壓力，因此大晶粒金屬易變形，而小晶粒金屬比較強(qiáng)勁。

研究人員Zhongxia Shang利用壓縮應(yīng)力和剪切應(yīng)力，將T-91樣品表面的大晶粒破碎成較小的晶粒。樣品橫截面顯示，從表面到材料中心晶粒尺寸一直在增加，最小的超細(xì)晶粒尺寸小于100納米，而材料中心的晶粒要大10-100倍。

改進(jìn)G-T91樣品的屈服強(qiáng)度約為700兆帕（拉應(yīng)力單位），可承受約10%的均勻應(yīng)變。比起標(biāo)準(zhǔn)T-91可達(dá)到的綜合強(qiáng)度和可塑性，具有明顯改善。Shang表示：“這就是結(jié)構(gòu)之美。中心是柔軟的，可以保持可塑性，而通過(guò)引入納米層疊材料，表面變得更加堅(jiān)硬。如果能創(chuàng)造出這種梯度，使大顆粒居于中心，表面為納米顆粒，它們就會(huì)協(xié)同變形。大晶粒負(fù)責(zé)拉伸，小晶粒調(diào)節(jié)應(yīng)力。現(xiàn)在，可以制造出一種兼具強(qiáng)度和延展性的材料。”

研究小組假定，梯度納米結(jié)構(gòu)G-T91比標(biāo)準(zhǔn)T-91的性能更好。在張力測(cè)試期間每隔一段時(shí)間拍攝的掃描電子顯微鏡圖像揭示了一個(gè)謎團(tuán)。研究人員利用桑迪亞的掃描電子顯微鏡拍攝電子后向散射衍射圖像，以揭示G-T91納米層狀材料中的顆粒如何隨著真應(yīng)變（一種衡量可塑性的指標(biāo)）的增加間隔（從0%到120%）而變化。在這個(gè)過(guò)程的開(kāi)頭，顆粒為垂直的，具有小扁豆似的形狀；隨著壓力的增加，似乎拉伸成更接近球狀，然后旋轉(zhuǎn)，最后水平伸長(zhǎng)。

研究人員認(rèn)為，這些圖像顯示晶粒之間的界面（即晶界）移動(dòng)，使晶粒可以拉伸和旋轉(zhuǎn)，并使鋼本身發(fā)生可塑性變形。該團(tuán)隊(duì)已獲得美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation）的資助，以研究支配晶界運(yùn)動(dòng)的規(guī)則，有望深入了解梯度材料的變形行為，制造“具有優(yōu)異拉伸塑性的梯度納米結(jié)構(gòu)鋼”。Zhang 表示：“如果能了解它們?nèi)绾我约盀槭裁匆苿?dòng)，也許可以找到一種更好的方式來(lái)排列晶粒。”

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