揭開納米孿晶變形機制 助研發更強韌材料


由香港城市大學(城大)、上海理工大學、浙江大學的專家組成的研究團隊探索納米孿晶的變形行為,首次揭示奧氏體不鏽鋼中多尺度納米孿晶的變形轉變,有助研發更高強度和延展性的材料。

研究成果已在科學期刊《自然通訊》上發表,論文題為「不鏽鋼中納米孿晶變形轉變的尺度規律」。

城大副校長(研究及科技)呂堅教授及其團隊,透過原位拉伸試驗,配合理論模型及分子動力學模擬,發現奧氏體不鏽鋼的納米孿晶變形轉變機制的臨界尺度。研究顯示,孿晶尺度在小於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。納米孿晶尺度在6至129納米之間會形成二級孿晶。

材料科學家一直追求更高強度和延展性的材料。一般而言,金屬的延展性會隨着強度增高而下降,反之亦然。但納米孿晶結構則大有潛力解決這個矛盾。有研究指出,孿晶級數愈高,強度也愈高,同時保持良好延展性。

呂教授說:「我們研究奧氏體不鏽鋼是基於它是被廣泛應用的工程材料。研究成果除了可作為其他金屬材料強化機制的研究依據,亦有助推動納米孿晶先進材料的設計和發展。」

團隊結合實驗結果與理論研究,經過多年努力,不但建立了奧氏體不鏽鋼納米孿晶從幾納米到幾百納米範圍內的變形機制圖譜,揭示不同尺度孿晶的變形機制,還闡明了納米孿晶變形尺度效應的內在機理和演變過程。

美國科學院、工程院和醫學院發佈的材料科學研究報告《材料研究前沿:十年調查(2019)》指出,傳統金屬與合金、高熵合金及納米結構合金在未來十年將有良好發展前景。

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。此前城大工學院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(《科學》,2018年11月),還有我另一個團隊研製的超強鎂合金(《自然》, 2017年5月),均顯示城大材料科學研究一直走在世界前端。」

團隊將繼續研究如何激發不鏽鋼形成更高級數納米孿晶結構,找出最佳孿晶間距,並研究其他廣泛應用的工程材料的變形機制轉變臨界尺度,從而提高材料綜合力學性能。

研究團隊成員包括城大孫李剛博士,上海理工大學陳愛英博士、浙江大學朱林利博士。三位均是呂教授城大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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