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浙大学者《自然》发文:如何让金属更加强韧
阅读:4198 2019-11-07 16:33:15
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高熵合金是近年来备受关注的一种新型金属材料。其颠覆性的性能特点是既能具有高强度,又能具有传统合金无法实现的高塑性。浙江大学科学家的最新研究揭示了高熵合金独特力学性能的内在机理,并在此基础上制备了一种非常坚韧的新型高熵合金。相关结果发表在10月10日的顶级杂志《自然》上。

本研究由浙江大学材料科学与工程学院俞谦教授、硅材料国家重点实验室、张泽院士电子显微镜中心团队、佐治亚理工学院朱婷和罗伯特共同完成。加州大学伯克利分校的里奇。俞谦说:“准确理解高熵合金高强度塑性背后的内在原因,将有助于我们揭示高效的强韧化机制,有利于材料性能的优化设计和高性能合金的研发。”

高强度通常是我们对金属最直观的要求。我们把铁变成钢正是因为从汽车到高层建筑,许多地方需要更坚固、更可靠的金属。同时,我们希望金属具有优异的塑性变形能力,可以制成各种复杂的器件,可以在更多的环境中使用。

我们早就找到了一种提高金属合金化强度的方法,即在要强化的主要元素中添加少量合金元素。18k金比纯金咬起来更硬,因为前者是合金。然而,传统合金在增强金属强度的同时降低了金属的塑性,百花钢不可能同时具有柔性。

高熵合金不同于传统合金,因为它没有主要元素,而是固体溶解许多元素和其他原子比。例如,典型的高熵合金康塔塔合金由铁、钴、镍、铬和锰组成,每种元素的含量相同。为什么这种方法既能带来高强度又能带来高塑性?科学家们长期以来一直困惑不解。

余谦的研究团队意识到金属的性质是由结构决定的,而“位错”结构这种缺陷直接影响材料的强度和塑性变形能力。在高功率电子显微镜下,研究组观察到高熵合金中元素浓度波的独特波动,导致合金位错线不像普通材料那样平坦,而是像遭遇不平整河床的潮汐一样出现“交叉潮汐”甚至“折返潮汐”。

研究人员称这种位错运动为“交叉滑移”,位错之间的相互作用将增加,提供更多变形的可能性,同时“呼吁”更强的外力推动位错向前。“大量的交叉滑移使合金具有更好的均匀变形能力和更好的强度。鱼和熊掌可以兼得。”研究小组成员傅萧乾说。

该研究小组表示,高熵合金中独特的浓度波控制是极其精细和连续的,是一种可控和有效的材料强韧化方法。根据《自然》的专家评论意见,这项工作对于理解复杂成分合金的强化机理具有重要的理论意义。

俞倩说,进一步了解高熵合金的性能将有助于我们更好地挖掘这种新材料的应用潜力。高熵合金在制备具有严格温度要求的材料方面具有巨大潜力,如航空航天和极地等。同时,它们在防碰撞领域也将有重要的应用。

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