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據外媒報道，普渡大學（Purdue University）測試新的處理方法，使一種高質量的鋼合金同時產生卓越的強度和可塑性。通常情況下，這兩種特性無法結合在一起，而是需要互相平衡。這種處理方法可以在鋼的最外層產生超細金屬顆粒，這些顆粒在壓力下似乎會拉伸、旋轉，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）
該團隊處理的是T-91（一種用于核和石化應用的改性鋼合金）。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、懸索和其他結構部件。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，經過處理會產生超細金屬顆粒“納米層狀材料”的特征。顯微圖像顯示，當受到的壓力越來越大，經過處理的鋼材（稱為 G-T91或梯度T91）會發(fā)生非預期變形。普渡大學材料工程學院教授Xinghang Zhang表示：“這是一個復雜的過程，以前從未見過這種現(xiàn)象。根據定義，G-T91顯示出超塑性，但導致這種情況的確切機制尚不明了。”
鋼之類的金屬看起來是個整體，但當放大時一根金屬棒會顯示為單個晶體顆粒的集合體。當金屬受到壓力，晶粒會以一定的方式發(fā)生變形，使金屬結構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勁。
研究人員Zhongxia Shang利用壓縮應力和剪切應力，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（拉應力單位），可承受約10%的均勻應變。比起標準T-91可達到的綜合強度和可塑性，具有明顯改善。Shang表示：“這就是結構之美。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。大晶粒負責拉伸，小晶粒調節(jié)應力。現(xiàn)在，可以制造出一種兼具強度和延展性的材料。”
研究小組假定，梯度納米結構G-T91比標準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變（一種衡量可塑性的指標）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，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，使晶粒可以拉伸和旋轉，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構鋼”。Zhang 表示：“如果能了解它們如何以及為什么移動，也許可以找到一種更好的方式來排列晶粒。”
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