电子显微镜结构剖析　台大颜鸿威教授助拳「超级钢」

▲台湾大学颜鸿威博士团队参与中国2200Mpa「超级钢」的科研工作。（图／翻摄自台湾大学官网）

生活中心／综合报导

台大材料所颜鸿威博士团队参与两岸三地合作发展拥有2200Mpa的和16%均匀延伸率的「超级钢」，其研究成果荣登《科学》（Science）期刊。该团队以电子显微镜技术进行机构解析，并以「变形继以配分（deformation & partition, D&P）」技术实现，具有突破性机械性能的钢铁材料，这种2200Mpa新钢材可以说是达到美俄潜艇钢的2倍。

由于汽车、航太、及能源工业都需要高强度且高延性的金属材料，进而提高能源效率并降减温室气体排放量。但金属材料的强度和延性经常是「鱼与熊掌不可兼得」，增加强度的同时往往导致材料延展性下降，进而影响料成形性与冲击性能。两岸三地年轻学者合作研究突破过往材料差排理论，大幅提高强度同时仍使材料兼具延展性，该项研究于2017年08月24日发表于《Science》期刊，篇名为「High dislocation density induced large ductility in deformed and partitioned steels」。

据了解，香港大学机械工程系黄明欣博士前瞻性提出通过提高「可动差排」密度来维持塑性的理论与可能性；北京科技大学罗海文博士则认为能以中锰钢合金系统来进行材料设计。至于台湾大学颜鸿威与学生程冠儒则以电子显微镜技术进行机构解析，他们认为以调配鸡尾酒的方法能够使材料的显微结构更复杂，若能同时有效控制复杂显微结构以及变形组织演化，有机会提高可动差排密度维持塑性。

最后团队以「变形继以配分」的技术实现了此具有突破性机械性能的钢铁材料。此外，研究团队还设计了Fe-10Mn-0.47C-2Al-0.7V (in wt. %)的中锰钢来实现变形继以配分（D&P）的制程，通过适量冷轧变形，随后进行低温回火（400°C）得到高差排密度的D&P钢，此特殊钢的介稳态沃斯田铁镶嵌在高差排密度的麻田散铁中。

▼高强度且高延性D&P钢之内部显微结构与奈米结构，麻田散铁与沃斯田铁相中皆包含相当高密度的差排缺陷。图片中显微结构剖析工作皆完成于台湾大学。（图／翻摄自台湾大学官网）

麻田散铁是在冷轧的过程由沃斯田铁相变形成的，而在低温回火时，麻田散铁中的碳会配分给沃斯田铁，保留了麻田散铁的差排密度，同时避免了中高碳麻田散铁的脆性，更值得注意的是，此类型差排虽然密度极高，却能够维持其滑移的自由度。另一方面，获得碳配分的沃斯田铁能在材料变形过程中相变态形成麻田散铁，辅助性地共同维持了材料的高均匀延伸率（延性）。

除了差排理论与机械性能上的突破，D&P钢不仅达到了麻时效钢的强度，并具有优异的延展性，而其原材料价格仅有麻时效钢的20%。因此，通过显微结构与缺陷的复杂化与可控化，研究团队在降低经济成本的同时得到了超高强度的钢铁。因此，D&P钢具有工业生产的潜力，而「如何调配可动差排」这样的概念也能广泛应用于汽车、航太、以及能源等工程材料领域当中。

▼D&P钢与其他高强度钢在拉伸性能方面的比较，明显占有绝对优势。（图／翻摄自台湾大学官网）

这项研究由香港大学主导，协同北京科技大学、台湾大学和香港城市大学的青年科学家共同合作所完成的，为两岸三地青年科学家成功合作的例子。资料显示，台大颜鸿威博士师承台湾材料显微结构大师杨哲人教授，于2014年8月回到台大任教，并成立「显微结构与缺陷物理研究团队」。透过台大与科技部材料学门的经费补助，使其能在2015年研究室草创状态下就展开D&P钢之显微结构与变形机制剖析研究，期间还获英国Oxford Instruments设备助拳，最后于2016年底顺利完成这项被称为巨大突破的合作研究。

▼D&P钢（超级钢）研究荣登美国《科学》期刊。（图／翻摄自《科学》(Science)期刊）