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浙大學者《自然》發文:如何讓金屬更加強韌

發布時間:2019-10-17來源:浙江新聞客戶端?作者:曾福泉 吳雅蘭 柯溢能 汪曉勇0

高熵合金是近年來備受矚目的新型金屬材料,其頗具顛覆性的一個性能特點是,可以同時具備高強度和高塑性,這是傳統合金無法實現的。浙江大學科學家的最新研究揭示了高熵合金獨特力學性能的內在機理,他們還據此制備出一種非常強韌的新型高熵合金。相關成果10月10日在頂尖期刊《自然》發表。

這項研究由浙大材料科學與工程學院、硅材料國家重點實驗室、電子顯微鏡中心張澤院士團隊的余倩教授和美國喬治亞理工學院的朱廷、加州大學伯克利分校的Robert. Ritchie合作完成。余倩說:“準確認識高熵合金中高強塑性背后的本征原因將幫助我們揭秘高效的強韌化機理,有利于材料性能優化設計和高性能合金的研發。”

高強度往往是我們對金屬最直觀的要求,我們把鐵煉成鋼,正是因為從汽車到高樓大廈,許多地方都需要更強度更可靠的金屬。我們同時又希望金屬具備優良的塑性變形能力,從而可以制備成各種復雜的器件,且在更多環境中派上用場。

我們很早就找到了增強金屬強度的方法——合金化,就是把少量合金元素添加到要強化的主元素中。18K金咬起來比純金硬,就是因為前者是一種合金。然而,傳統的合金在增強金屬強度時,降低了金屬的可塑性,百煉鋼不可能同時又是繞指柔。

高熵合金不同于傳統合金之處,在于它沒有一種主元素,而是將多種元素等原子比固溶在一起。比如一種典型的高熵合金Cantor alloy由鐵,鈷,鎳,鉻和錳這幾種元素組成,每一種都有同等的分量。為什么這種方法就能同時帶來高強度和高塑性?科學家長期不得其解。

余倩課題組意識到,金屬的性能由結構決定,而“位錯”這種缺陷結構直接影響材料的強度和塑性變形能力。在高倍電鏡下,課題組觀察到高熵合金中獨特的元素濃度波起伏,這導致其位錯線也不像普通材料那樣平整,而是像潮水遇到凹凸不平的河床一樣,不斷出現“交叉潮”甚至“回頭潮”。

科研人員把這樣的位錯移動稱為“交滑移”,位錯之間的相互作用就會增加,提供了更多變形的可能,同時也“呼喚”更強的外力來推動位錯往前走。“大量的交滑移作用,使得合金有更好的均勻變形能力又有更好的強度,魚和熊掌可以兼得了。”課題組成員符曉倩說。

課題組表示,高熵合金中獨特的濃度波調控極精細并具有連續性,是一種可控和高效的材料強韌化方法。《自然》的專家評審意見認為,該工作對理解復雜成分合金中的強化機理具有重要理論意義。

余倩表示,進一步理解高熵合金的性質,有助于我們更好地挖掘這一新材料的應用潛力。在航空航天、極地等對溫度要求嚴苛的材料制備上,高熵合金大有可為,同時其在防撞領域上也將有重要應用。


浙江新聞客戶端


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