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德日美联合研发仿生“超级骨骼钢铁”,极大提升韧性解决金属疲劳

 霸王龙勇士 2017-03-18



钢铁,可以说是人们最为常见的金属之一。在上千年的历史长河中,人们熟练地掌握了钢铁的冶炼与加工技术,使其成为人们生活中密不可分的一部分。时值今日,钢铁已经被广泛地运用于各类建筑、基础设施、机械、船舶、汽车等各色领域。在结构材料领域,钢铁也是当仁不让的老大哥。


钢筋铁骨,是用来形容骨骼如同钢铁打铸般坚硬。近日,科学家们基于骨头的内部结构,设计出了一款新型仿生超级钢铁,这款钢铁所具有的超强韧性是普通钢铁所望尘莫及的。


但是,钢铁也有其“阿喀琉斯之踵”。钢铁这类金属易被划割而形成微小裂纹,这些微小裂纹如不加以限制,可能在钢铁内部扩展,最终将导致整块结构材料断裂失效。而这一“金属疲劳现象是 “钢”结构件失效的最为常见的因素之一。麻省理工学院冶金学教授瑟末·塔桑(Cemal Cem Tasan)表示,“大部分材料的失效事故,是有由金属疲劳引起。


 “金属疲劳”的定义是:金属结构件因持续受到动态变化的应力而导致结构劣化,即使这样的应力远小于该金属静态下发生永久变形所需要的应力。



举个例子来说,在我们日常所乘坐的飞机上,机舱内在起飞与下降过程中常常伴有气压变化,这就导致机舱材料反复地膨胀收缩,从而可能造成金属内部萌生出微小裂缝。而在长期这样的周期性应力作用下,裂纹可能进一步增长,进而引发整个结构件的突然断裂。


事实上,金属疲劳正是在早期航空史中,引发数起飞机失事的罪魁祸首。塔桑教授说道,“我们是否能设计出一种新材料,即使裂纹开始萌生之后,其微观结构能够有效地阻止其裂纹扩展?”



近日,来自日本九州大学、德国马克斯-普朗克研究所和美国麻省理工学院的研究人员从骨头中汲取了灵感开发出了一款拥有具有超高抗疲劳断裂性能的“超级钢铁”该研究结果发表于最近出版的《科学》杂志上(M. Koyama, et al. Science, 2017 (355), 1055-1057)。


实际上,避免金属结构件材料因金属疲劳而导致断裂,一直是材料工程学家所面临的棘手难题。


然而,不尽如人意的是,工程师们在现阶段常常只能采用了一种“治标不治本”的手段:在设计结构时,选择一个较大的安全系数,进而留出一定的安全裕量——不可避免的是,此举也增加了额外的成本与重量,也多多少少折射出工程师们的些许无奈:设计出一款具有超高抗疲劳性能的新型结构材料犹如无源之水,让人无从着手。


人骨的微观结构及其阻止裂纹萌生的机理示意图


但是,大自然又一次赋予了研究人员以灵感。近些年来,科学家们逐渐注意到,人的骨头具有优异的抗断裂韧性。特别是考虑到人类骨头的重量,这一轻质材料所拥有的出众性能尤其令人瞩目。


科学家们已经发现,人类骨头具有的超高韧性根源来自其具有的多层结构(Hierarchical structure)在纳米尺度上,细小的胶原纤维排列成板层状,而不同的纤维板层又按着不同的方向排列生长。而在更大的微米级尺度上,这些紧密的纤维板层组成了形似晶格的密质骨。


这些卓尔不群的结构特点使得人骨头在保持轻质和强键的同时,还能阻止裂纹向各个方向进一步扩展。


常见钢铁与“超级钢铁”显微组织示意图


相比于目前已经商业化应用的普通钢铁而言,研究人员开发出的这款名义成分为Fe-9Mn-3Ni-1.4Al-0.01C (质量分数)超级钢的微观结构显得独树一帜。这种超级钢铁集三大特点于一身:其一,含有多个合金相(由多于一个相构成)。其二,具有纳米层片结构。其三,拥有亚稳相


在这种材料之中,萌生的裂纹尖端会诱发原奥氏体向马氏体结构转变。而由于这种转变会引起体积膨胀,因而会在材料的内部形成残余应力(压力),进而能够起到了粘合萌生裂纹的效果。通过调整奥氏体和马氏体的相组成比例,从而既能很好的阻碍微裂缝的形成,又不至于引起新的缺陷。


不仅如此,这一新超级钢铁还拥有具有不同硬度的多种合金成分。这样一来,即使萌生了裂纹,它也将难以扩展,从而降低了这一丝丝小裂缝进一步生长的可能。


除此之外,多个合金相组成的微观结构使得材料的某些区域具有更好柔韧性,从而有助于吸收施加于钢铁上的周期性应力。在某些情况下,甚至还有可能弥合萌生的裂纹。如此一来,这款具有独特的界面结构,相分布和相稳定性的超级钢铁能够同时激活多个抵抗裂纹扩展机制。



疲劳测试表明,与常规的钢铁(如铁素体-马氏体双相钢,纳米层片的珠光体钢和相变诱发塑性钢)相比,这一款“超级钢铁”拥有明显机械抗裂性能的提升。


可以想象,在未来的某日,工程师们将有望把这种钢材用于制作桥梁或者航空器材上,从而有效地避免因金属疲劳导致裂纹萌生,亦或在始料未及的时刻突然引起构件断裂失效的问题。



虽然这一款超级钢铁已经横空出世,但这次的材料设计中的飞跃,只能称作“万里长征的第一步”。本论文通讯作者之一的塔桑教授直言,在下一步,他们将寻求进一步扩大制备工艺,并探索商业化的可能。


不过,与之前曾经报道过的同样具有超高韧性的高熵合金和蚕丝相比,钢铁的加工与制备工艺要成熟得多。本文的第一作者,九州大学的材料系教授本道小山(Motomichi Koyama)表示,传统的钢铁加工工艺应该能够运用到这一材料之中。他很有信心的表示,“(与研发相比)材料的扩大化应该不是个大问题”。


参考资料

1. R. Ritchie, The conflicts between strength and toughness, Nat. Mater., 2011(10):817-822

2. M. Koyama, Z. Zhang, M. Wang, et al. Bone-like crack resistance in hierarchical metastable nanolaminate steels. Science, 2017(355): 1055-1057

3. http://news./2017/metal-fatigue-laminated-nanostructure-resistance-fracturing-0309

4. https://www./article/2124088-special-steel-inspired-by-bone-is-more-resistant-to-cracking/

5. http://www./news/2017/03/supersteel-modeled-human-bone-resistant-cracks


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