臺大學術卓越系列報導─工學院先進鋼鐵組織控制研究中心之超強奈米鋼之研發

「材料科與工程學」之教學與研究在臺灣首先發源於本校工學院機械系金屬材料組。本校第二任校長陸志鴻教授於1950年代即在工學院講授「材料結構與缺陷」課程，並極力推動「工程材料」的研究，並且於1971年獲得美國國際基金會專款補助，購置全臺第一部材料結構分析研究用的穿透式電子顯微鏡 (型號JEOL　100U，本儀器現保存於工學院工綜館一樓展示廳，如圖一所示)，奠定材料顯微結構研究與其分析技術之基礎，相關的鋼鐵與金屬材料研究歷經了47年的歲月，材料已擁有六部穿透式電子顯微鏡(TEM)，均為當年該階段的先進穿透式電子顯微鏡(如圖二所示)，這些TEM設備培育不少材料結構研究人才，也使得臺大材料系在國際上發光發熱。2011年材料系在巴西CBMM公司(世界第一大的鈮礦公司) 與中鋼公司之贊助成立先進鋼鐵組織控制工程研究中心，由材料系楊哲人教授擔任中心主任，成員教授共五人，分別研究鋼鐵合金設計、製程加工、組織分析、機械性質及腐蝕防冶。中心的主要目標在開發先進節能減碳的超高強度汽車鋼板。為了節省能源消耗與兼顧乘車安全，汽車用鋼材使用的強度等級愈來愈高。高強度鋼通常採用麻田散鐵或變韌鐵為主要顯微組織的相變態強化設計，然而此類鋼材加工成形性不佳，為了得到優良強化與成形性組合，本研究團隊採用鈦-鉬(鈦-釩或鈦-鈮)複合添加之合金設計，配合熱軋軋延參數之精緻控制，利用肥粒鐵晶粒細化及奈米碳化物析出複合強化機制來產製高強度熱軋汽車用鋼。傳統析出強化型鋼板由於析出物之體積分率不足，其整體抗拉強度僅可達到590MPa。本中心團隊以界面析出奈米碳化物技術開發出抗拉強度980MPa等級之析出強化型超高強度熱軋鋼板，其伸長率可達18%的水準，鋼材中具有高密度的奈米碳化物散佈於肥粒鐵基地中 (列陣式排列的奈米碳化物佈散於肥粒鐵基地，如圖三所示)，以大量奈米碳化物的析出強化機制來達到超高強度之目標。此奈米碳化物強化的鋼材具有極高強度與良好加工成形性，已被廣泛應用於卡車之大樑、汽車之防撞鋼樑、安全汽囊零件等汽車部件。本中心最近亦致力於新型奈米變韌鐵合金鋼之研發，應用於新型防彈鋼板。經由合金設計及適當低溫恆溫處理，此種大量新型奈米變韌鐵組織可以被巧妙地控制生成在大型的板材中，本中心對奈米變韌鐵抗彈鋼板材料，己完成極快速撞擊實驗(split Hopkinson bar)，應變率達103s-1以上，已證實本類奈米鋼材有超高強度(高於2000MPa)與極佳延展性 (延伸率大於40%)，本項研究已引起歐美與日本先進國家之注目。本項成果將應用於防彈車及裝甲車等裝備。楊哲人教授多年來使用電子顯微鏡在鋼鐵奈米組織研究，其貢獻已獲得國際相關學術單位的肯定，於2017年11月韓國顯微鏡學會50週年慶，獲得第一屆韓國顯微鏡學會會士榮銜。