超級鋼破傳統既強且韌兼可塑

强度、韧性，以及延展性（或称塑性），是衡量金属以及其他工业用材料的三个重要指标，但根据传统材料科学观点，三者往往是此消彼长的关系；针对最常用的钢材而言，若提升强度会导致其韧性降低，导致材料脆性增加，变得「很硬但很脆」。香港大学机械工程系副主任黄明欣带领团队近年突破框架，成功研发出三个指标同时达到史无前例高水平的「超级钢」，一次过满足既强且韧兼可塑的三个愿望！ 团队并正研究将生产工序大幅简化的第二代「超级钢」，让成本进一步更低，于汽车、航空、国防、建筑等领域开拓更广阔的应用前景。其中在汽车制造上，「超级钢」特性既可成为车的「脊梁」，更能像海绵吸水般将撞击的动能吸收，加强安全保障。 ●香港文汇报记者 郭虹宇 专注钢材研究十多年的黄明欣早前接受香港文汇报专访时指，高端钢材要求的三种属性，包括强度（屈服强度）、韧性（不容易折断碎裂）和延展性（能伸延扭曲）有着此消彼长的关系，即提升其中一种属性的功能时，其余的一或两种会相应降低，三者无法俱得。为找到能突破此僵局的方法，团队「在探索制造钢的过程中，先定了一个优化钢材的大方向，并持续不断修正，逐渐研发出了『超级钢』。」 「超级钢」，又称D&P钢，该名字是源于该材料是通过崭新的「变形及配分（Deformed & Partitioned）」方法而制成，令其拥有高屈服强度（~2GPa）、极佳韧性（102MPa.m½）、良好延展性（19%的均匀延伸率）并兼具低成本的特性，突破传统瓶颈。 取代传统钢 亦更环保 经过技术不断提升，团队正投入第二代「超级钢」的研究。黄明欣指，第二代「超级钢」具备第一代优点，包括位错、分层开裂等特性（见另稿）。而相较于第一代，第二代「超级钢」的碳含量由第一代的0.5%减少至0.2%，金属钒的含量由第一代0.7%降低至0.1%。而虽然强度略有下降，但在制造工业上，不同于第一代「超级钢」需要经过热轧、温轧、回火、冷轧、回火等工序，第二代「超级钢」只需要热轧即可，大幅度地简化了生产工序，令制作更简单成本更低。 应用方面，黄明欣表示，以「超级钢」制作的高强钢筋，可以直接利用于建造业，取代传统钢材应对需求；如需要达到同等强度，若选用「超级钢」，钢材用量相对减少，亦降低生产钢材所产生的二氧化碳，有望为达到「碳中和」的目标作出贡献。 于航空国防等领域具前景 另外，「进一步开发『超级钢』达至极高的韧性，而高韧性是工业化应用的先决条件，研究成果为实现『超级钢』的工业化应用往前迈进了一大步。这新超级钢材具备潜力，应用于制造高级防弹衣、高强桥梁缆索、汽车及装甲运兵车的轻量化、航空航天领域、建筑领域的高强螺栓和螺母等多方面。」黄明欣欣喜道。 而其中在汽车应用上，他指，「超级钢」不仅能使汽车轻量化，还能在剧烈的撞击中加强对乘客的保护。由于「超级钢」分层开裂特性，使其在受到撞击时内部的组织结构会进行分层开裂，沿着主裂纹的正上方、正下方分层裂开，而裂开的缝隙会吸收撞车时的动能，再透过变形，将动能转为热能，「像海绵吸水一样，将动能大部分吸收，保护乘客安全。」 在汽车内部部件的应用上，黄明欣说，B柱（B pillar）是汽车的「脊梁」之一，位于前后车门之间汽车的侧面，在汽车发生侧面撞击时，B柱需要抵抗侧面撞来的压力，变形程度不可很严重，严重变形会压到人体，更不能断裂。他表示，「超级钢」的强度高抗压，韧性高不易变形，加上可塑性强不易断，认为「B柱最好的材料非『超级钢』莫属」，而「本领」如此高强的「超级钢」 的钢板仅1.1mm至1.2mm厚，与一把尺子厚度差不多，又轻又好，期望未来能在汽车制造上有进一步的发展。