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通過對 T-91 鋼合金進(jìn)行新的處理，產(chǎn)生了一種強(qiáng)度更高、韌性更強(qiáng)的鋼合金，這種鋼合金被稱為 G-T91，其超細(xì)金屬晶粒顯示出超塑性。普渡大學(xué)和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的這一發(fā)現(xiàn)可能會徹底改變汽車車軸和懸掛電纜等應(yīng)用，但其確切機(jī)制仍是一個(gè)謎。

研究人員對 T-91 進(jìn)行了處理，T-91 是一種改良合金鋼，主要用于核工業(yè)和石化工業(yè)，但研究人員表示，這種處理方法也可用于其他需要高強(qiáng)度、韌性鋼材的地方，如汽車車軸、懸掛電纜和其他結(jié)構(gòu)部件。這項(xiàng)研究是與桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）合作進(jìn)行的，已申請了專利，于 5 月 31 日發(fā)表在本周三的《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。

與T-91強(qiáng)度更高、可塑性更強(qiáng)的直接結(jié)果相比，更引人關(guān)注的是桑迪亞實(shí)驗(yàn)室的觀察結(jié)果，這些觀察結(jié)果顯示了研究小組所稱的"納米層"的特征，即在從表面延伸到約200微米深度的區(qū)域內(nèi)，處理過程中產(chǎn)生的超細(xì)金屬顆粒。普渡大學(xué)材料工程學(xué)院教授、論文第一作者張星航（Xinghang Zhang）說，顯微鏡圖像顯示，經(jīng)過處理的鋼材（被稱為 G-T91（或梯度 T91））在承受越來越大的應(yīng)力時(shí)會發(fā)生意想不到的變形。

"這是一個(gè)復(fù)雜的過程，研究界以前從未見過這種現(xiàn)象，"張說。"顧名思義，G-T91 表現(xiàn)出超塑性，但實(shí)現(xiàn)這一現(xiàn)象的確切機(jī)制尚不清楚。"

鋼等金屬在肉眼看來可能是整體的，但如果將其放大，就會發(fā)現(xiàn)金屬棒是由稱為晶粒的單個(gè)晶體組成的。當(dāng)金屬受到應(yīng)變時(shí)，晶粒能夠發(fā)生變形，從而保持金屬結(jié)構(gòu)不破裂，使金屬能夠伸展和彎曲。較大的晶粒比較小的晶粒能容納更大的應(yīng)變，這是在大晶粒易變形金屬和小晶粒堅(jiān)固金屬之間進(jìn)行固定權(quán)衡的基礎(chǔ)。

在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）這篇論文中，第一作者Shang Zhongxia（曾是張穎實(shí)驗(yàn)室的研究生）利用壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力將T-91樣品表面的大晶粒破碎成小晶粒。樣品的橫截面顯示，晶粒尺寸從表面開始增大，最小的超細(xì)晶粒尺寸不到100納米，而在材料中心，晶粒尺寸要大10到100倍。

改良后的 G-T91 樣品的屈服強(qiáng)度約為 700 兆帕斯卡（拉應(yīng)力單位），可承受約 10% 的均勻應(yīng)變，比標(biāo)準(zhǔn) T-91 的綜合強(qiáng)度和塑性有了顯著提高。

現(xiàn)任普渡大學(xué)伯克納米技術(shù)中心（Birck Nanotechnology Center）研究員的Shang說："這就是這種結(jié)構(gòu)的美妙之處，它的中心是軟的，因此可以維持塑性，但通過引入納米層壓板，表面變得更硬了。如果創(chuàng)造出這種梯度，大顆粒在中心，納米顆粒在表面，它們就會協(xié)同變形。大晶粒負(fù)責(zé)拉伸，小晶粒負(fù)責(zé)承受應(yīng)力，如此可以制造出一種兼具強(qiáng)度和延展性的材料"。

雖然研究小組曾假設(shè)梯度納米結(jié)構(gòu) G-T91 的性能會優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn) T-91，但在拉伸測試過程中每隔一段時(shí)間拍攝的掃描電子顯微鏡圖像卻揭示了一個(gè)謎。桑迪亞公司在掃描電子顯微鏡下拍攝的電子反向散射衍射圖像顯示了G-T91納米層狀結(jié)構(gòu)中的晶粒是如何在真實(shí)應(yīng)變（一種塑性測量指標(biāo)）從0%到120%不斷增加的過程中發(fā)生變化的。在這一過程的開始階段，晶粒是垂直的，研究小組將其描述為透鏡狀。但隨著應(yīng)變的增加，它們似乎拉伸成更球狀的形狀，然后旋轉(zhuǎn)，最后水平拉長。

這些圖像顯示了晶粒之間的界面（稱為晶界）在移動，從而使晶粒得以伸展和旋轉(zhuǎn)，并使鋼材本身發(fā)生塑性變形。研究小組已經(jīng)獲得了美國國家科學(xué)基金會的資助，以研究晶界運(yùn)動的規(guī)律，從而了解梯度材料的奇妙變形行為。

"如果我們知道它們是如何運(yùn)動以及為什么運(yùn)動，也許我們就能找到更好的方法來排列晶粒。張說："我們還不知道如何做到這一點(diǎn)，但這開啟了非常有趣的潛力。"