電子顯微鏡結構剖析 台大顏鴻威教授助拳「超級鋼」

台灣大學顏鴻威博士團隊參與中國2200Mpa「超級鋼」的科研工作。(圖/翻攝自台灣大學官網)

▲台灣大學顏鴻威博士團隊參與中國2200Mpa「超級鋼」的科研工作。(圖/翻攝自台灣大學官網)

生活中心/綜合報導

台大材料所顏鴻威博士團隊參與兩岸三地合作發展擁有2200Mpa的和16%均勻延伸率的「超級鋼」,其研究成果榮登《科學》(Science)期刊。該團隊以電子顯微鏡技術進行機構解析,並以「變形繼以配分(deformation & partition, D&P)」技術實現,具有突破性機械性能的鋼鐵材料,這種2200Mpa新鋼材可以說是達到美俄潛艇鋼的2倍。

由於汽車、航太、及能源工業都需要高強度且高延性的金屬材料,進而提高能源效率並降減溫室氣體排放量。但金屬材料的強度和延性經常是「魚與熊掌不可兼得」,增加強度的同時往往導致材料延展性下降,進而影響料成形性與衝擊性能。兩岸三地年輕學者合作研究突破過往材料差排理論,大幅提高強度同時仍使材料兼具延展性,該項研究於2017年08月24日發表於《Science》期刊,篇名為「High dislocation density induced large ductility in deformed and partitioned steels」。

據了解,香港大學機械工程系黃明欣博士前瞻性提出通過提高「可動差排」密度來維持塑性的理論與可能性;北京科技大學羅海文博士則認為能以中錳鋼合金系統來進行材料設計。至於台灣大學顏鴻威與學生程冠儒則以電子顯微鏡技術進行機構解析,他們認為以調配雞尾酒的方法能夠使材料的顯微結構更複雜,若能同時有效控制複雜顯微結構以及變形組織演化,有機會提高可動差排密度維持塑性

最後團隊以「變形繼以配分」的技術實現了此具有突破性機械性能的鋼鐵材料。此外,研究團隊還設計了Fe-10Mn-0.47C-2Al-0.7V (in wt. %)的中錳鋼來實現變形繼以配分(D&P)的製程,通過適量冷軋變形,隨後進行低溫回火(400°C)得到高差排密度的D&P鋼,此特殊鋼的介穩態沃斯田鐵鑲嵌在高差排密度的麻田散鐵中。

▼高強度且高延性D&P鋼之內部顯微結構與奈米結構,麻田散鐵與沃斯田鐵相中皆包含相當高密度的差排缺陷。圖片中顯微結構剖析工作皆完成於台灣大學。(圖/翻攝自台灣大學官網)

高強度且高延性D&P鋼之內部顯微結構與奈米結構,麻田散鐵與沃斯田鐵相中皆包含相當高密度的差排缺陷。圖片中顯微結構剖析工作皆完成於台灣大學。(圖/翻攝自台灣大學官網)

麻田散鐵是在冷軋的過程由沃斯田鐵相變形成的,而在低溫回火時,麻田散鐵中的碳會配分給沃斯田鐵,保留了麻田散鐵的差排密度,同時避免了中高碳麻田散鐵的脆性,更值得注意的是,此類型差排雖然密度極高,卻能夠維持其滑移的自由度。另一方面,獲得碳配分的沃斯田鐵能在材料變形過程中相變態形成麻田散鐵,輔助性地共同維持了材料的高均勻延伸率(延性)。

除了差排理論與機械性能上的突破,D&P鋼不僅達到了麻時效鋼的強度,並具有優異的延展性,而其原材料價格僅有麻時效鋼的20%。因此,通過顯微結構與缺陷的複雜化與可控化,研究團隊在降低經濟成本的同時得到了超高強度的鋼鐵。因此,D&P鋼具有工業生產的潛力,而「如何調配可動差排」這樣的概念也能廣泛應用於汽車、航太、以及能源等工程材料領域當中。

▼D&P鋼與其他高強度鋼在拉伸性能方面的比較,明顯佔有絕對優勢。(圖/翻攝自台灣大學官網)

D&P鋼與其他高強度鋼在拉伸性能方面的比較,明顯佔有絕對優勢。(圖/翻攝自台灣大學官網)

這項研究由香港大學主導,協同北京科技大學、台灣大學和香港城市大學的青年科學家共同合作所完成的,為兩岸三地青年科學家成功合作的例子。資料顯示,台大顏鴻威博士師承台灣材料顯微結構大師楊哲人教授,於2014年8月回到台大任教,並成立「顯微結構與缺陷物理研究團隊」。透過台大與科技部材料學門的經費補助,使其能在2015年研究室草創狀態下就展開D&P鋼之顯微結構與變形機制剖析研究,期間還獲英國Oxford Instruments設備助拳,最後於2016年底順利完成這項被稱為巨大突破的合作研究。

▼D&P鋼(超級鋼)研究榮登美國《科學》期刊。(圖/翻攝自《科學》(Science)期刊)

▲▼中國開發出屈服強度2200Mpa的「超級鋼」。(圖/翻攝自《科學》(Science)期刊)

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