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强与韧怎么兼得 浙大学者破解了其中的奥秘

钱江晚报小时工吴亚兰柯一能/鲁文邵青/摄影

《周易》有句谚语:“几何学家弯腰相信。龙或蛇的螫伤会救一个人的身体。”所谓丈夫的雄心壮志,灵活、坚强、坚韧,是完美事物的历史和自然的重要标准之一。

金属材料的制备和使用已经进行了几千年,是我们用来建造和改变世界的最大和最重要的材料之一。然而,完美是很难实现的,金属材料的强度和韧性往往不能兼得。因此,从几千年前制造武器的冷兵器时代开始,人们就一直在追求既有强度又有韧性的金属材料。也是从那时起,人们意识到金属材料的不同加工过程一定会改变一些东西,因为它会带来强度和韧性的显著变化。

随着我们认识世界的能力逐渐提高,我们已经知道这“是什么”是材料的结构。所谓的“试错”是指为了更好的性能而改变结构的内在关系。

近年来,金属结构材料这一由来已久的研究领域再次被掀起。

研究发现,如果打破传统的合金设计方法(在主元素中加入少量合金元素),将多种元素和其他原子比溶解在一起,理论上可以制备出具有有序原子排列和无序元素排列的所谓高熵合金。一些高熵合金可以同时具有高强度和高塑性,从而打破了传统金属难以兼具强塑性和塑性的困境。但背后的原因很难理解。高熵合金组织与性能关系的研究具有“庐山”的地位。

最近,浙江大学材料科学与工程学院俞倩,硅材料国家重点实验室,电子显微镜中心张泽院士团队,佐治亚理工学院朱婷和罗伯特。加州大学伯克利分校的里奇已经开始破译高熵合金中元素的分布,揭示合金的真正特征。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。”

伦敦时间10月10日,研究结果在顶级国际杂志《自然》上发表。论文的第一个单元是浙江大学。第一作者是浙江大学高温合金研究所的丁青青博士、清华大学的陈晓博士和佐治亚理工学院的张颖博士,他们是共同的第一作者。通讯作者是浙江大学电子显微镜中心的俞倩教授、佐治亚理工学院的朱婷教授和加州大学伯克利分校的罗伯特·里奇教授,他们是共同通讯作者。

最佳实践如何变成柔软

什么是高熵合金?

这是由各种元素的高浓度固溶体形成的晶体结构清晰、元素分布无序的固溶体。一种典型的高熵合金康塔合金由铁、钴、镍、铬和锰组成。

由于性质是由结构决定的,晶格是位错等缺陷结构和行为的内在控制单元,因此破解高熵合金中元素有序结构-性质的相关性是关键。然而,铁、钴、镍、铬和锰都是近邻,电负性、原子半径、原子序数等差别不大。从晶格尺度直接分析高熵合金的变形机理是非常困难的。

位错作为最重要的晶体缺陷之一,其结构、激活时的位错以及激活后的滑移和相互作用直接影响材料的强度和塑性变形能力。根据位错理论,位错的结构和行为直接受原子尺度晶格的影响,特别是各种原子的排列和分布余倩说道。

“丘陵”起伏错位滑动,就像“涨潮”和“退潮”一样

余谦的研究小组首先通过原子尺度元素分布表征揭示了高熵合金中有多少元素溶解在一起的重要问题。

“我们发现了高熵合金中浓度波的独特波动。与传统固溶体合金中元素浓度波动相比,即使是高熵合金中的crmnfeconi合金,晶格间各种元素浓度也有25%-15%的波动。这种浓度波动将导致纳米晶格电阻的振荡和局部堆垛层错能的变化余倩说道。

其次,通过在保证完全固溶体的前提下增加元素间电负性和原子尺寸的差异,研究人员制备了各种元素浓度在60%到0纳米范围内波动的crfeconipd合金。

这就像一堆苹果、梨和橘子。乍一看,他们都一样。如果你用西瓜代替它们,它们会非常显眼。“如果你用钯代替锰,晶格控制效应将会扩大,这样我们就可以‘看到’它们背后的机制。”丁青青说。

在大功率电子显微镜的放大下,研究组的贝红斌老师看到位错线像钱塘江钻孔的波浪一样向前滚动。常见物质的位错线像潮流一样沿着固定滑动带向前冲。然而,在crfeconipd合金中,位错线已经绊倒。例如,作为一个整体向前移动的潮汐波就像一个翻滚的水底,改变它的方向和形状,形成一个“交叉潮汐”,甚至是一个“转向潮汐”。

这些“山丘”是不同元素浓度的波动,它们的存在是控制晶格尺度位错运动的本质。

研究人员称这种错位运动为交叉滑移。位错不跟随原始晶面,而是选择另一个晶面。这样,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。

在普通材料中,看到如此大量的严重交叉滑移并不常见。

实验发现,在crfeconipd合金中,钯的加入引起了所有元素浓度波动的增加。随着浓度波振幅的大幅增加,材料在室温下的塑性变形模式由传统的不完全位错滑移、完全位错滑移、孪晶变形等方式发生了变化。以罕见的大量均匀分布的交叉滑移为主的变形模式。同时,原子的内应力分布发生变化,导致晶格电阻在非常小的空间尺度上的振荡显著增强,在晶格中形成丘陵地貌,这是大量交叉滑移发生的根本原因,也使得材料的力学性能比crmnfeconi合金显著提高,同时保证了相当水平的塑性变形能力。

本研究揭示了高熵合金力学性能晶格控制的特殊机理。与边界控制(包括晶界、相界、第二相界面等)等传统精细结构控制相比。)和团簇控制,高熵合金中独特的浓度波控制非常精细和连续,是一种可控和高效的材料强韧化方法。根据专家对自然的评论意见,这项工作对于理解复杂合金的强化机理(传统固溶强化理论不能应用)具有重要的理论意义。

基础科学认知是应用的基础。大山口像铁一样坚固。现在它正从地面上站起来。高熵合金兼具强度和塑性以及优异的低温性能,在制备未来航空、南北两极等对温度要求苛刻的材料方面具有巨大潜力。,在防撞领域也有重要应用。


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