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高熵合金強與韌兼得的奧秘破解

2019-10-15 中國科學報 崔雪芹
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  金屬材料的制備和使用淵源千年,是人們所用的最大量和最重要的材料之一。然而,金屬材料的強與韌往往不可兼得。人們研究發現,如果打破傳統的合金設計方法,將多種元素等原子比固溶在一起,理論上會制得原子排列有序而元素排列無序的所謂高熵合金,從而打破傳統金屬中強塑性難以兼得的困境。近日,浙江大學研究人員與國內外合作者,揭示了高熵合金中晶格調控力學性能的特殊機制。相關論文在線刊登于《自然》。

  研究人員表示,與傳統的界面調控(包括晶界、相界、第二相界面等)以及團簇等精細結構調控相比,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。

  浙江大學電子顯微鏡中心教授余倩課題組首先通過原子尺度的元素分布表征,揭示了高熵合金多種元素如何固溶在一起的重要疑問。“我們發現了高熵合金中獨特的濃度波起伏,相比于傳統固溶體合金中在晶格尺度趨于平直的元素濃度波起伏,高熵合金濃度在晶格間25%到15%的震蕩,會帶來納米尺度晶格阻力的震蕩和局域層錯能的變化。”余倩說。緊接著,通過在保證完全固溶的前提下增加元素間電負性和原子大小的差距,研究人員制備了納米尺度各種元素濃度起伏在60%到0之間的CrFeCoNiPd合金。

  在高倍電鏡的放大下,研究人員看到,普通材料的位錯線是沿著固定的滑移帶像一線潮那樣奔涌向前,但是CrFeCoNiPd合金中,位錯線卻走得“磕磕絆絆”。科研人員把這樣的位錯移動稱為交滑移,位錯不沿著原有的晶面走,而是選擇了另一個晶面。這樣,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。專家評審意見認為,該工作對理解復雜成分合金的強化機理具有重要理論意義。而高熵合金強度與塑性兼得的特點以及優良的低溫性能,在未來航空、南北極等對溫度要求嚴苛的材料制備上大有可為,同時在防撞領域也有重要應用。

打印 責任編輯:侯茜
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