揭开不锈钢纳米结构变形的规律 为研发既强且韧新型合金跨进一步
香港城市大学（香港城大）领导的科研团队经过多年努力，找出了不锈钢纳米结构变形的规律，为制造高强度、高靭性的新型合金，奠下了理论基础，迈进了一步。
纳米孪晶（nanotwins）是让材料能够兼具高强度和高韧性的纳米片层结构，科学家们已证实，孪晶级数越高，材料的孪晶结构密度便越高，材料的强度和韧性也就越好。由于目前大多数材料或合金都面对同样的难题：材料的强度越高，延展性和韧性则越低，意即坚固的材料较难变形或拉伸而不断裂。因此，对于一直想研发具备高强度、高韧性的新型材料的材料科学家们而言，增加材料当中的纳米孪晶的密度，是其中一个重要手段。
香港城大副校长（研究及科技）兼机械工程学讲座教授吕坚教授领导的研究团队，联同上海理工大学和浙江大学的专家组成的研究团队，经过多年的努力，近日取得突破，成功找出了在奥氏体不锈钢里产生高密度纳米孪晶的规律︰当纳米孪晶的片层距离（twin-lamella spacing）、即孪晶与孪晶之间的距离等于或小于5纳米、6至129纳米之间，及大于129纳米时，变形机制完全不同。当片层距离等于5纳米或以下时，会以出现一级孪晶和退孪晶化（即孪晶结构消失）为主，而当片层距离处于6至129纳米之间时，则最有利于二级孪晶的产生，变形以二级孪晶为主，整体的孪晶密度也随之提高。
有关研究成果最近以「不锈钢中纳米孪晶变形转变的尺度规律」为题，发表于科学期刊《自然通讯》上。
“纳米孪晶是一种很好的结构，就像我们体内的胆固醇有好有坏的，好的胆固醇越多越好，但纳米孪晶并非遍布在材料当中，因此要想方法去提高它的密度。”吕教授比喻说。
近年来，科学家们就如何提高一级孪晶的密度做了大量研究工作，但通过提高孪晶级数来制备高密度孪晶结构的材料，则尚待挑战，而且之前的研究多局限于以纯铜和纯银等纯金属材料作为研究对象，并非实用性较高的工程材料如不锈钢。
因此他们这次的研究，便以不锈钢为研究对象，利用透射电镜下的原位拉伸试验，并结合力学模型和分子动力学模拟，透过实证方式，有系统地建立了不锈钢纳米片层距离介于几纳米到几百纳米之间的孪晶变形的图谱，成功找出了材料最容易产生下一级孪晶的孪晶片层距离范围。吕教授说︰“这为优化其他金属结构材料提供了指导依据，知道应该朝多大的孪晶片层距离去改善，为下一步研发新型工程材料和新型合金，奠下了理论基础，迈进了一步”。
吕教授表示，下一步研究方向是针对目前材料科学研究领域里最火热的高熵合金以及其他广泛应用的工程材料，找出如何实现多级数的孪晶结构，来进一步提升材料的力学性能，另一个研究方向则是研究如何在不锈钢里实现更多级数的孪晶结构。
高熵合金是由五种或更多种等量或相近等量的金属制成的新型材料，由于其良好的物理特性，在航空工程等结构应用方面具有很大潜力，故此在材料科学及工程领域上备受关注。由美国国家科学院、美国国家工程院和美国国家医学院最近联合发表的《材料研究前沿︰十年概述（2019）》（Frontiers of Materials Research: A Decadal Survey (2019)），便预示了传统金属和合金、高熵合金和纳米结构的金属合金，是未来十年三大最具潜力的研究方向，正与这次研究的主题不谋而合。
吕教授说︰“我们的研究完全符合未来材料科学的发展方向。纳米孪晶不锈钢既是传统合金又是纳米结构合金，这次研究的新进展能提高传统金属材料的性能，同时有望提升高熵合金等新材料的特性。此前香港城大的大学杰出教授刘锦川教授研发的新型合金改良自高熵合金，还有我另一个团队较早前研制的超强镁合金，均显示香港城大在材料科学研究领域一直走在世界前端。”
吕教授指出，高熵合金的层错能（stacking fault energy）很低，十分有利于产生孪晶结构。目前他们的研究已证明了在传统合金和工程合金都可以产生多级纳米孪晶，因此配以他研发的「修改纳米结构的表面机械研磨处理（SMAT）」方法，很有信心能造出具多级孪晶结构的高熵合金。
文章第一作者是上海理工大学陈爱英博士、浙江大学朱林利博士和香港城大孙李刚博士，他們三位均是吕教授在香港城大的研究队伍的现任或前任成员。此项研究获国家重点研发计划和国家自然科学基金资助。
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本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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