臺(tái)大材料所顏鴻威與程冠儒參與兩岸三地團(tuán)隊(duì) 發(fā)展極高強(qiáng)度新穎鋼材 榮登《Science》期刊

臺(tái)大材料所顏鴻威團(tuán)隊(duì)參與兩岸三地合作發(fā)展極高強(qiáng)度、高延性、低成本新穎鋼鐵材料，研究成果榮登《Science》期刊。

由於汽車、航太、及能源工業(yè)都需要高強(qiáng)度且高延性的金屬材料來(lái)提高能源效率並降減溫室氣體排放量。然而，金屬材料的強(qiáng)度和延性經(jīng)常是魚與熊掌不可兼得，增加強(qiáng)度的同時(shí)往往導(dǎo)致材料延展性下降，進(jìn)而影響料成形性與衝擊性能。

兩岸三地年輕學(xué)者合作研究突破過(guò)往材料差排理論，大幅提高強(qiáng)度同時(shí)仍使材料兼具延展性。此項(xiàng)研究於2017年08月24日發(fā)表於《Science》期刊，篇名為《High dislocation density induced large ductility in deformed and partitioned steels》)，全文請(qǐng)參照連結(jié)B. B. He et al., Science, 10.1126/science.aan0177 (2017)。

金屬材料經(jīng)過(guò)塑性變形，差排密度提高
故強(qiáng)度提高，但延展性變差，此稱為加工硬化

這段敘論述幾乎可以被視為材料科學(xué)的定律，而香港大學(xué)機(jī)械工程系黃明欣博士過(guò)去便一直思索以提高「可動(dòng)差排」密度來(lái)維持塑性的理論與可能性，合作團(tuán)隊(duì)中北京科技大學(xué)羅海文博士認(rèn)為能以中錳鋼合金系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行材料設(shè)計(jì)，而臺(tái)灣大學(xué)顏鴻威與程冠儒則以電子顯微鏡技術(shù)進(jìn)行機(jī)構(gòu)解析。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為以調(diào)配雞尾酒的方法能夠使材料的顯微結(jié)構(gòu)更複雜，若能同時(shí)有效控制複雜顯微結(jié)構(gòu)以及變形組織演化，有機(jī)會(huì)提高可動(dòng)差排密度維持塑性。

最後團(tuán)隊(duì)以「變形繼以配分（deformation & partition, D&P）」的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了此具有突破性機(jī)械性能的鋼鐵材料。此新穎合金具有2.0GPa以上之降伏強(qiáng)度（材料抵抗塑性變形的能力），而其均勻延伸率仍可達(dá)到16%以上。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了Fe-10Mn-0.47C-2Al-0.7V (in wt. %)的中錳鋼來(lái)實(shí)現(xiàn)變形繼以配分（D&P）的製程， 通過(guò)適量冷軋變形，隨後進(jìn)行低溫回火（400 °C）得到高差排密度的D&P鋼，此特殊鋼的介穩(wěn)態(tài)沃斯田鐵鑲嵌在高差排密度的麻田散鐵中（詳見圖1）。

麻田散鐵是在冷軋的過(guò)程由沃斯田鐵相變形成的，而在低溫回火時(shí)，麻田散鐵中的碳會(huì)配分給沃斯田鐵，保留了麻田散鐵的差排密度，同時(shí)避免了中高碳麻田散鐵的脆性，更值得注意的是，此類型差排雖然密度極高，卻能夠維持其滑移的自由度。

另一方面，獲得碳配分的沃斯田鐵能在材料變形過(guò)程中相變態(tài)形成麻田散鐵，輔助性地共同維持了材料的高均勻延伸率(延性)。

相較於普遍使用的超高強(qiáng)度汽車鋼（圖2: DP 780和Q&P 980）和應(yīng)用於航空及國(guó)防工業(yè)的麻時(shí)效鋼，新開發(fā)的D&P鋼不僅具有更高的屈服強(qiáng)度，而且擁有更好的延伸率。

研究團(tuán)隊(duì)中的幾位學(xué)者近期已獨(dú)立發(fā)表許多突破強(qiáng)度和延性之間抵換的新型鋼種(詳見圖2)，其中包含黃明欣團(tuán)隊(duì)於2015年研發(fā)的納米雙晶鋼(Nano Twin Steel)，顏鴻威團(tuán)隊(duì)於2015年發(fā)表的超細(xì)晶雙相鋼(UFG-Duplex Steel)，羅海文於2016年發(fā)表的相變/雙晶誘發(fā)應(yīng)變中錳鋼(TRIP/TWIP M-Mn Steel)，但是鋼鐵之強(qiáng)度都停滯在約1500 MPa左右，透過(guò)合作薈萃三人過(guò)去的顯微結(jié)構(gòu)控制技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，使D&P機(jī)械性大幅突破過(guò)去之研究成果。

除了差排理論與機(jī)械性能上的突破，D&P鋼不僅達(dá)到了麻時(shí)效鋼的強(qiáng)度（圖2: Maraging Steel），並具有優(yōu)異的延展性，而其原材料價(jià)格僅有麻時(shí)效鋼的20%。因此，通過(guò)顯微結(jié)構(gòu)與缺陷的複雜化與可控化，研究團(tuán)隊(duì)在降低經(jīng)濟(jì)成本的同時(shí)得到了超高強(qiáng)度的鋼鐵。因此，D&P鋼具有工業(yè)生產(chǎn)的潛力，而「如何調(diào)配可動(dòng)差排」這樣的概念亦能廣泛應(yīng)用於汽車、航太、以及能源等工程材料領(lǐng)域當(dāng)中。

此研究由香港大學(xué)主導(dǎo)，協(xié)同北京科技大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)和香港城市大學(xué)的青年科學(xué)家共同合作所完成的，為兩岸三地青年科學(xué)家成功合作的例子。

顏鴻威博士師承臺(tái)灣材料顯微結(jié)構(gòu)大師楊哲人教授，於2014年8月回到臺(tái)灣大學(xué)任教，並成立「顯微結(jié)構(gòu)與缺陷物理研究團(tuán)隊(duì)」，透過(guò)此研究指導(dǎo)程冠儒同學(xué)相關(guān)學(xué)理與技術(shù)，團(tuán)隊(duì)成員特別感謝臺(tái)灣大學(xué)與科技部材料學(xué)門的經(jīng)費(fèi)補(bǔ)助，使其能在2015年研究室草創(chuàng)狀態(tài)下就展開D&P鋼之顯微結(jié)構(gòu)與變形機(jī)制剖析研究，其間獲英國(guó)Oxford Instruments設(shè)備助拳，最後於2016年底順利完成這項(xiàng)合作研究。

臺(tái)灣大學(xué)自陸志鴻校長(zhǎng)1972年建立第一部穿透式電子顯微鏡，至楊哲人教授建立先進(jìn)鋼鐵組織控制學(xué)群，迄今已經(jīng)有高過(guò)40年歷史，而程冠儒同學(xué)繼承了臺(tái)大悠久的顯微結(jié)構(gòu)分析傳統(tǒng)，並展現(xiàn)驚豔之研究成果，相當(dāng)難得。未來(lái)臺(tái)大將持續(xù)深耕顯微結(jié)構(gòu)與缺陷分析之專業(yè)教育、先進(jìn)設(shè)備、以及前瞻應(yīng)用研究。