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據(jù)外媒報道，普渡大學(xué)（Purdue University）測試新的處理方法，使一種高質(zhì)量的鋼合金同時產(chǎn)生卓越的強度和可塑性。通常情況下，這兩種特性無法結(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)生超細金屬顆粒，這些顆粒在壓力下似乎會拉伸、旋轉(zhuǎn)，然后拉長，以一種研究人員無法完全解釋的方式賦予超塑性。

（圖片來源：普渡大學(xué)）

該團隊處理的是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韌性鋼的地方，例如車軸、懸索和其他結(jié)構(gòu)部件。這項研究是與桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）合作進行，并已獲得專利。

除了形成更強、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)過處理會產(chǎn)生超細金屬顆?！凹{米層狀材料”的特征。顯微圖像顯示，當(dāng)受到的壓力越來越大，經(jīng)過處理的鋼材（稱為 G-T91或梯度T91）會發(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：“這是一個復(fù)雜的過程，以前從未見過這種現(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制尚不明了?！?/p>

鋼之類的金屬看起來是個整體，但當(dāng)放大時一根金屬棒會顯示為單個晶體顆粒的集合體。當(dāng)金屬受到壓力，晶粒會以一定的方式發(fā)生變形，使金屬結(jié)構(gòu)保持不變而不會破裂，從而使金屬能夠拉伸和彎曲。相對來說，大晶?？梢猿惺鼙刃【Я８蟮膲毫?，因此大晶粒金屬易變形，而小晶粒金屬比較強勁。

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，最小的超細晶粒尺寸小于100納米，而材料中心的晶粒要大10-100倍。

改進G-T91樣品的屈服強度約為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可達到的綜合強度和可塑性，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，而通過引入納米層疊材料，表面變得更加堅硬。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，它們就會協(xié)同變形。大晶粒負責(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度和延展性的材料?！?/p>

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。在張力測試期間每隔一段時間拍攝的掃描電子顯微鏡圖像揭示了一個謎團。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。在這個過程的開頭，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。

研究人員認為，這些圖像顯示晶粒之間的界面（即晶界）移動，使晶?？梢岳旌托D(zhuǎn)，并使鋼本身發(fā)生可塑性變形。該團隊已獲得美國國家科學(xué)基金會（National Science Foundation）的資助，以研究支配晶界運動的規(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)绾我约盀槭裁匆苿樱苍S可以找到一種更好的方式來排列晶粒?！?/p>