处理产生具有优异强度和塑性的钢合金

对优质钢合金进行测试的新处理可产生非凡的强度和塑性，这两种特性通常必须平衡而不是组合。在钢的最外层处理产生的超细金属晶粒似乎在应变下拉伸、旋转然后伸长，以普渡大学研究人员无法完全解释的方式赋予超塑性。

研究人员对T-91进行了处理，这是一种用于核和石化应用的改性钢合金，但表示该处理可用于其他需要强韧性钢的地方，例如车轴、悬索和其他结构部件.这项研究是与桑迪亚国家实验室合作进行的，并已获得专利，发表在《科学进展》上。

比T-91更强、更塑性变体的直接结果更有趣的是，在桑迪亚进行的观察显示了该团队称之为超细金属颗粒“纳米层压板”的特征，这种处理是在从表面至约200微米的深度。

第一作者、普渡大学材料工程学院教授XinghangZhang说，显微图像显示经过处理的钢(称为G-T91(或梯度T91))在承受不断增加的应力时发生了意想不到的变形。

“这是一个复杂的过程，研究界以前从未见过这种现象，”张说。“根据定义，G-T91显示出超塑性，但实现这一点的确切机制尚不清楚。”

像钢这样的金属用肉眼看起来可能是整体的，但是当放大很大时，金属棒就会显示出它是由称为晶粒的单个晶体聚集而成的。当金属受到应变时，晶粒能够以保持金属结构而不会破裂的方式变形，从而使金属可以拉伸和弯曲。较大的晶粒比较小的晶粒可以承受更大的应变，这是大晶粒可变形金属和小晶粒强金属之间固定权衡的基础。

在ScienceAdvances论文中，张忠夏实验室的前研究生、第一作者尚中霞利用压缩应力和剪切应力将T-91样品表面的大晶粒破碎成较小的晶粒。样品的横截面显示晶粒尺寸从表面增加，最小的超细晶粒尺寸小于100纳米，到材料中心，晶粒大10到100倍。

改进后的G-T91样品的屈服强度约为700兆帕(拉伸应力单位)，可承受约10%的均匀应变，与标准T-91可达到的综合强度和塑性相比有显着改善。

“这是结构的美妙之处;中心是柔软的，因此它可以保持可塑性，但通过引入纳米层压板，表面变得更加坚硬，”尚说，他现在是普渡大学伯克纳米技术中心的一名研究人员。“如果你然后创建这种梯度，中心是大颗粒，表面是纳米颗粒，它们会协同变形。大颗粒负责拉伸，小颗粒负责承受压力。现在你可以制造一种材料具有强度和延展性的结合。”

虽然研究团队假设梯度纳米结构G-T91的性能优于标准T-91，但在张力测试期间每隔一段时间拍摄的扫描电子显微镜图像揭示了一个谜。

在桑迪亚的扫描电子显微镜上拍摄的电子背散射衍射图像显示了G-T91的纳米层压板中的晶粒如何随着真实应变间隔的增加而变化，真实应变是一种可塑性的衡量标准，从0%到120%。在这个过程的开始，颗粒是垂直的，团队描述为透镜状的形状。但随着应变的增加，它们似乎会拉伸成更球状的形状，然后旋转，最后水平拉长。

张说，这些图像显示了晶粒之间的界面——称为晶界——移动，允许晶粒拉伸和旋转，并使钢本身发生塑性变形。该团队现在计划研究控制晶界中这种运动的规则，这可以使了解梯度材料有趣的变形行为成为可能。

“如果我们知道它们如何移动以及为什么移动，也许我们可以找到一种更好的方式来排列颗粒。我们还不知道如何去做，但它开启了一个非常有趣的潜力，”张说。