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收藏文章 赞一个 已赞 2016-02-26 矿业澳洲



Berkley揭秘独特高熵合金CrMnFeCoN(美国) 


金属材料纳米材料结构材料航空航天摘要高熵合金(橘色部分)相对于其他金属而言,表现出了同时具有高韧性和高强度的特性。(承蒙 Ritchie 团队提供研究信息)(真实性担保:Berkeley 实验室,项目来自美国LawrenceBerkeley 国际能源实验室部)  



高熵合金(橘色部分)相对于其他金属而言,表现出了同时具有高韧性和高强度的特性。(承蒙Ritchie团队提供研究信息)(真实性担保:Berkeley实验室)


就在此时,这个极寒的冬季:由来自美国Lawrence Berkeley 国际能源实验室部门(Berkeley 实验室)的科学家,带领一队研究人员对几种结构机制进行了确认。这些结构机制能够制造出新型的具有亲冷性的金属合金,并且能进入有史以来坚韧度最高的金属合金之列。此合金由铬、锰、铁、钴、镍合成,因此科学家称之为CrMnFeCoNi。


在室温下,它表现出极强的坚韧性,同时展现出良好的延展性、抗拉强度和耐折性。与其他大多数材料不同的是,此种合金越是在寒冷的条件下就会变得越坚韧及结实,由此可以欣然推断此合金在低温条件下的应用,如,作为储存液化天然气罐子的制作材料。


为了研究其中奥秘,Berkeley 实验室团队利用透射电子显微镜观察材料受到拉拽时的状态。科学家们观察到了合金中纳米级的结构机制,即逐个集成抗损坏传播的现象。结构之间是通过桥进行连接,而桥是通过形成裂纹的方式来抑制破损传播。此种裂纹桥的结构是复合材料和陶瓷材料的中常见的增韧结构机制,但并不常见于强化金属。


此项发现将引领未来金属材料的研发方向,即研发具有超级抗损特性的金属。此项研究被刊登在2015年12月9日的Nature Communications杂志中。


据Robert Ritchie叙述,“在我们研究合金的初期就发现了其惊人的特性:高韧性和高强度,通常一种材料不会同时具备这两种特性。” Robert Ritchie是Berkeley实验室材料科技组的科学家,负责指导浙江大学钱宇及数位科学家进行此项目的研究。




Ritchie表示“因此在此次研究中,我们使用TEM方研究合金的纳米级结构。”


在材料科学中,韧性指的是材料抗折损的能力,强度指的是材料抗变形的能力。因此同时具备高韧性和高强度两种特性的材料是非常罕见的,而CrMnFeCoNi又是经过精心筛选的。他是一颗新星,从十年前开始进行五种或更多元素合金开发里的一颗新星。相比之下,大多数传统合金只有一种主导元素。这些新的多组分合金叫做高熵合金,因为他们是通过简单的固溶方式结合而成的,因此属于高熵混合体。


在材料研究领域中,这是个热门话题并在近期成为具有研究价值的材料。2014年,Ritchie和其同事观察到在极低的温度下,当CrMnFeCoNi发生变形时,产生了一种叫做“孪生”的现象,即相邻的结晶区域形成了镜像排列。孪生现象似乎是合金具有高韧性和强度的根源所在。但是,科学家并没有在室温下观察到孪生现象(除了在裂纹桥结构里),因此合金的高韧性和高强度并存的现象仍是一个谜。


Ritchie提出“如果我们在室温下观察不到孪生现象,那么究竟是什么结构使其具有如此惊人的特性呢?”


为了找出其中的奥秘,科学家提出在室温下利用透射电子显微镜观察对合金进行拉拽的实验。


在延时图像中,科学家们发现了两种有关剪应力的现象:极好的延迟变位性使材料具有高强度,部分快速变位性增强了合金的延展性。同时他们观察到了一种部分变位的现象,叫做“三维堆垛错层缺陷”,即原子的三维排列成区域变化。这些缺陷是阻碍变位的原因,就好像在形成的裂隙前堆放一些石砖,因此增加了合金的强度。




同时,通过捕捉到的纳米级图像,科学家们观察到好像咀嚼满嘴的太妃糖时,牙齿被粘到一起一样的现象:在某些情况下,结构链接桥受到孪生现象影响,产生了变形导致裂纹出现,从而阻碍裂纹扩大。


“这些结构链接桥在加固陶瓷和复合材料中是常见的。” Ritchie解释道。 “我们的研究人员发现,在所有纳米结构的共同作用下,赋予了合金的韧性和强度共存的特性。


来源:新材料在线




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