美國能源部橡樹嶺國家實驗室和田納西大學諾克斯維爾分校的科學家們找到了一種方法,通過在合金的基體中引入微小的沉淀物并調整它們的尺寸和間距,同時提高合金的強度和延展性。沉淀物是在合金冷卻時從金屬混合物中分離出來的固體。


發表在《自然》雜志上的結果(“Bifunctional nanoprecipitates strengthen and ductilize a medium-entropy alloy”)將為推進結構材料開辟新的途徑。

科學家找到新方法 微小但強大的納米沉淀可以使結構合金變韌

從上到下,合金分別制成不含納米沉淀物或含有粗或細納米沉淀物的合金,以評估其尺寸和間距對機械性能的影響。(圖片:米歇爾·雷曼/ORNL)


延展性是材料經受永久變形而不斷裂的能力的量度。除其他外,它決定了材料在破裂之前可以伸長多少,以及這種破裂是優美的還是災難性的。強度和延展性越高,材料就越堅韌。


一直以來都是結構材料的圣杯,如何同時提升強度和延展性?該研究的首席研究員、ORNL 和 UT 高級合金理論與發展的州長主席 Easo George 說,打破強度-延展性的權衡,將使新一代輕質、堅固、耐損壞的材料成為可能。


如果結構材料可以變得更堅固和更具延展性,那么汽車、飛機、發電廠、建筑物和橋梁的部件就可以用更少的材料建造。更輕的車輛在制造和運行時更節能,更堅固的基礎設施將更具彈性。

科學家找到新方法 微小但強大的納米沉淀可以使結構合金變韌

納米沉淀抑制熱淬火過程中的相變,并在室溫下將高溫面心立方相保持在亞穩態。(圖片:米歇爾·雷曼/ORNL)


ORNL 的聯合首席研究員 Ying Yang 構思并領導了 Nature 研究。在計算熱力學模擬的指導下,她設計并定制了具有特殊能力的模型合金,該合金具有從面心立方或 FCC 到體心立方或 BCC 晶體結構的相變能力,由無論是溫度還是壓力。


我們將納米沉淀物放入可轉化的基質中,并仔細控制它們的屬性,從而控制基質何時以及如何轉化,楊說,在這種材料中,我們有意誘導基質具有經歷相變的能力。


該合金包含四種主要元素:鐵、鎳、鋁和鈦,形成基體和沉淀物,以及三種次要元素——碳、鋯和硼——限制晶粒、單個金屬晶體的大小。


研究人員小心地保持基質的組成和不同樣品中納米沉淀物的總量相同。然而,他們通過調整處理溫度和時間來改變沉淀物的大小和間距。為了比較,還制備并測試了沒有沉淀但與含沉淀合金的基體具有相同組成的參考合金。

科學家找到新方法 微小但強大的納米沉淀可以使結構合金變韌

變形過程中的后續應力使具有粗析出物的材料發生轉變,使其更堅固且更具延展性,但不會改變具有細析出物的材料。(圖片:米歇爾·雷曼/ORNL)


材料的強度通常取決于沉淀物彼此之間的接近程度,喬治說,當你把它們做成幾納米 [十億分之一米] 大小時,它們可以非常緊密地間隔開。它們之間的距離越近,材料就越堅固。


雖然傳統合金中的納米沉淀物可以使它們超強,但它們也會使合金非常脆。該團隊的合金避免了這種脆性,因為沉淀物具有第二個有用的功能:通過空間限制基體,它們防止它在熱淬火過程中轉變,快速浸入水中將合金冷卻到室溫。


因此,基質保持在亞穩態 FCC 狀態。當合金隨后被拉伸(“應變”)時,它會逐漸從亞穩態 FCC 轉變為穩定的 BCC。應變過程中的這種相變增加了強度,同時保持了足夠的延展性。相比之下,沒有沉淀的合金在熱淬火過程中完全轉變為穩定的 FCC,這排除了應變過程中的進一步轉變。


因此,它比具有沉淀物的合金更弱且更脆??傊?,常規沉淀強化和變形誘導轉變的互補機制使強度提高了 20%-90%,伸長率提高了 300%。


添加沉淀物來阻止位錯并使材料超強是眾所周知的,喬治說,這里的新東西是調整這些析出物的間距也會影響相變傾向,這允許根據需要激活多種變形機制以提高延展性。


該研究還揭示了納米沉淀物的正常強化效果令人驚訝的逆轉:具有粗大、間隔較寬的沉淀物的合金比具有細小、間隔較近的沉淀物的相同合金強度更高。當納米沉淀變得如此微小且緊密堆積以致在材料應變期間相變基本上關閉時,就會發生這種逆轉,這與熱淬火期間抑制的相變不同。


這項研究依賴于在 ORNL 的 DOE 科學用戶設施辦公室進行的補充技術,以表征納米沉淀物和變形機制。在納米相材料科學中心,原子探針斷層掃描顯示了沉淀物的大小、分布和化學成分,而透射電子顯微鏡則顯示了局部區域的原子細節。在高通量同位素反應堆中,小角度中子散射量化了細小沉淀物的分布。在散裂中子源,中子衍射探測了不同應變水平后的相變。


這項研究引入了一個新的結構合金系列,楊說,可以精確定制沉淀特性和合金化學成分,以在需要阻止強度-延展性權衡時準確地激活變形機制。


接下來,該團隊將研究其他因素和變形機制,以確定可以進一步提高機械性能的組合。


事實證明,還有很大的改進空間。今天的結構材料只實現了其理論上能力的一小部分——也許只有 10%,喬治說,想象一下,如果在保持足夠的延展性的同時,這種強度可以增加一倍或三倍,那么汽車或飛機可能會減輕重量——以及隨之而來的能源節約。


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