鋼筋鐵骨，是用來形容骨骼如同鋼鐵打鑄般堅硬。近日，科學(xué)家們基于骨頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)計出了一款新型仿生超級鋼鐵，這款鋼鐵所具有的超強韌性是普通鋼鐵所望塵莫及的。
但是，鋼鐵也有其“阿喀琉斯之踵”。鋼鐵這類金屬易被劃割而形成微小裂紋，這些微小裂紋如不加以限制，可能在鋼鐵內(nèi)部擴展，最終將導(dǎo)致整塊結(jié)構(gòu)材料斷裂失效。而這一“金屬疲勞”現(xiàn)象是 “鋼”結(jié)構(gòu)件失效的最為常見的因素之一。麻省理工學(xué)院冶金學(xué)教授瑟末·塔桑(Cemal Cem Tasan)表示，“大部分材料的失效事故，是有由金屬疲勞引起。”
“金屬疲勞”的定義是：金屬結(jié)構(gòu)件因持續(xù)受到動態(tài)變化的應(yīng)力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)劣化，即使這樣的應(yīng)力遠小于該金屬靜態(tài)下發(fā)生永久變形所需要的應(yīng)力。
舉個例子來說，在我們?nèi)粘Ｋ俗娘w機上，機艙內(nèi)在起飛與下降過程中常常伴有氣壓變化，這就導(dǎo)致機艙材料反復(fù)地膨脹收縮，從而可能造成金屬內(nèi)部萌生出微小裂縫。而在長期這樣的周期性應(yīng)力作用下，裂紋可能進一步增長，進而引發(fā)整個結(jié)構(gòu)件的突然斷裂。
事實上，金屬疲勞正是在早期航空史中，引發(fā)數(shù)起飛機失事的罪魁禍首。塔桑教授說道，“我們是否能設(shè)計出一種新材料，即使裂紋開始萌生之后，其微觀結(jié)構(gòu)能夠有效地阻止其裂紋擴展？”
近日，來自日本九州大學(xué)、德國馬克斯-普朗克研究所和美國麻省理工學(xué)院的研究人員從骨頭中汲取了靈感，開發(fā)出了一款擁有具有超高抗疲勞斷裂性能的“超級鋼鐵”。該研究結(jié)果發(fā)表于最近出版的《科學(xué)》雜志上(M. Koyama, et al. Science, 2017 (355), 1055-1057)。
實際上，避免金屬結(jié)構(gòu)件材料因金屬疲勞而導(dǎo)致斷裂，一直是材料工程學(xué)家所面臨的棘手難題。
然而，不盡如人意的是，工程師們在現(xiàn)階段常常只能采用了一種“治標不治本”的手段：在設(shè)計結(jié)構(gòu)時，選擇一個較大的安全系數(shù)，進而留出一定的安全裕量——不可避免的是，此舉也增加了額外的成本與重量，也多多少少折射出工程師們的些許無奈：設(shè)計出一款具有超高抗疲勞性能的新型結(jié)構(gòu)材料猶如無源之水，讓人無從著手。
人骨的微觀結(jié)構(gòu)及其阻止裂紋萌生的機理示意圖
但是，大自然又一次賦予了研究人員以靈感。近些年來，科學(xué)家們逐漸注意到，人的骨頭具有優(yōu)異的抗斷裂韌性。特別是考慮到人類骨頭的重量，這一輕質(zhì)材料所擁有的出眾性能尤其令人矚目。
科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，人類骨頭具有的超高韌性根源來自其具有的多層結(jié)構(gòu)(Hierarchical structure)。在納米尺度上，細小的膠原纖維排列成板層狀，而不同的纖維板層又按著不同的方向排列生長。而在更大的微米級尺度上，這些緊密的纖維板層組成了形似晶格的密質(zhì)骨。
這些卓爾不群的結(jié)構(gòu)特點使得人骨頭在保持輕質(zhì)和強鍵的同時，還能阻止裂紋向各個方向進一步擴展。
常見鋼鐵與“超級鋼鐵”顯微組織示意圖
相比于目前已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用的普通鋼鐵而言，研究人員開發(fā)出的這款名義成分為Fe-9Mn-3Ni-1.4Al-0.01C (質(zhì)量分數(shù))超級鋼的微觀結(jié)構(gòu)顯得獨樹一幟。這種超級鋼鐵集三大特點于一身：其一，含有多個合金相(由多于一個相構(gòu)成)。其二，具有納米層片結(jié)構(gòu)。其三，擁有亞穩(wěn)相。
在這種材料之中，萌生的裂紋尖端會誘發(fā)原奧氏體向馬氏體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。而由于這種轉(zhuǎn)變會引起體積膨脹，因而會在材料的內(nèi)部形成殘余應(yīng)力(壓力)，進而能夠起到了粘合萌生裂紋的效果。通過調(diào)整奧氏體和馬氏體的相組成比例，從而既能很好的阻礙微裂縫的形成，又不至于引起新的缺陷。
不僅如此，這一新超級鋼鐵還擁有具有不同硬度的多種合金成分。這樣一來，即使萌生了裂紋，它也將難以擴展，從而降低了這一絲絲小裂縫進一步生長的可能。
除此之外，多個合金相組成的微觀結(jié)構(gòu)使得材料的某些區(qū)域具有更好柔韌性，從而有助于吸收施加于鋼鐵上的周期性應(yīng)力。在某些情況下，甚至還有可能彌合萌生的裂紋。如此一來，這款具有獨特的界面結(jié)構(gòu)，相分布和相穩(wěn)定性的超級鋼鐵能夠同時激活多個抵抗裂紋擴展機制。
疲勞測試表明，與常規(guī)的鋼鐵(如鐵素體-馬氏體雙相鋼，納米層片的珠光體鋼和相變誘發(fā)塑性鋼)相比，這一款“超級鋼鐵”擁有明顯機械抗裂性能的提升。
可以想象，在未來的某日，工程師們將有望把這種鋼材用于制作橋梁或者航空器材上，從而有效地避免因金屬疲勞導(dǎo)致裂紋萌生，亦或在始料未及的時刻突然引起構(gòu)件斷裂失效的問題。
雖然這一款超級鋼鐵已經(jīng)橫空出世，但這次的材料設(shè)計中的飛躍，只能稱作“萬里長征的第一步”。本論文通訊作者之一的塔桑教授直言，在下一步，他們將尋求進一步擴大制備工藝，并探索商業(yè)化的可能。
不過，與之前曾經(jīng)報道過的同樣具有超高韌性的高熵合金和蠶絲相比，鋼鐵的加工與制備工藝要成熟得多。本文的第一作者，九州大學(xué)的材料系教授本道小山(Motomichi Koyama)表示，傳統(tǒng)的鋼鐵加工工藝應(yīng)該能夠運用到這一材料之中。他很有信心的表示，“(與研發(fā)相比)材料的擴大化應(yīng)該不是個大問題”。