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浙大学者《自然》发文:如何让金属更加强韧

发布时间:2019-10-17来源:浙江新闻客户端​作者:曾福泉 吴雅兰 柯溢能 汪晓勇0

高熵合金是近年来备受瞩目的新型金属材料,其颇具颠覆性的一个性能特点是,可以同时具备高强度和高塑性,这是传统合金无法实现的。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,他们还据此制备出一种非常强韧的新型高熵合金。相关成果10月10日在顶尖期刊《自然》发表。

这项研究由浙大材料科学与工程学院、硅材料国家重点实验室、电子显微镜中心张泽院士团队的余倩教授和美国乔治亚理工学院的朱廷、加州大学伯克利分校的Robert. Ritchie合作完成。余倩说:“准确认识高熵合金中高强塑性背后的本征原因将帮助我们揭秘高效的强韧化机理,有利于材料性能优化设计和高性能合金的研发。”

高强度往往是我们对金属最直观的要求,我们把铁炼成钢,正是因为从汽车到高楼大厦,许多地方都需要更强度更可靠的金属。我们同时又希望金属具备优良的塑性变形能力,从而可以制备成各种复杂的器件,且在更多环境中派上用场。

我们很早就找到了增强金属强度的方法——合金化,就是把少量合金元素添加到要强化的主元素中。18K金咬起来比纯金硬,就是因为前者是一种合金。然而,传统的合金在增强金属强度时,降低了金属的可塑性,百炼钢不可能同时又是绕指柔。

高熵合金不同于传统合金之处,在于它没有一种主元素,而是将多种元素等原子比固溶在一起。比如一种典型的高熵合金Cantor alloy由铁,钴,镍,铬和锰这几种元素组成,每一种都有同等的分量。为什么这种方法就能同时带来高强度和高塑性?科学家长期不得其解。

余倩课题组意识到,金属的性能由结构决定,而“位错”这种缺陷结构直接影响材料的强度和塑性变形能力。在高倍电镜下,课题组观察到高熵合金中独特的元素浓度波起伏,这导致其位错线也不像普通材料那样平整,而是像潮水遇到凹凸不平的河床一样,不断出现“交叉潮”甚至“回头潮”。

科研人员把这样的位错移动称为“交滑移”,位错之间的相互作用就会增加,提供了更多变形的可能,同时也“呼唤”更强的外力来推动位错往前走。“大量的交滑移作用,使得合金有更好的均匀变形能力又有更好的强度,鱼和熊掌可以兼得了。”课题组成员符晓倩说。

课题组表示,高熵合金中独特的浓度波调控极精细并具有连续性,是一种可控和高效的材料强韧化方法。《自然》的专家评审意见认为,该工作对理解复杂成分合金中的强化机理具有重要理论意义。

余倩表示,进一步理解高熵合金的性质,有助于我们更好地挖掘这一新材料的应用潜力。在航空航天、极地等对温度要求严苛的材料制备上,高熵合金大有可为,同时其在防撞领域上也将有重要应用。


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