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中美科學家揭示“百煉鋼”化為“繞指柔”的內部機制

2019-10-11 11:59 來源: 中國新聞網

新華社杭州10月11日電(記者鄭夢雨、朱涵)中美科學家團隊合作揭示了金屬材料同時具備高強度和高塑性的內部機制,這一發現將為關鍵材料的性能優化設計和高性能合金研發提供支撐。相關成果于北京時間10日在線刊登于《自然》雜志。

近年來科學家們發現,將多種元素等原子比固溶在一起,理論上能夠制得原子排列有序而元素排列無序的高熵合金,部分高熵合金可以同時具備高強度和高塑性,從而打破傳統金屬中“魚與熊掌”難以兼得的困境。

浙江大學材料科學與工程學院、硅材料國家重點實驗室、電子顯微鏡中心張澤院士團隊的余倩教授和美國喬治亞理工學院材料系朱廷教授、加州大學伯克利分校材料系主任羅伯特·里奇教授合作,從解密高熵合金中元素分布入手,揭開了“百煉剛”化成“繞指柔”的奧秘。

高熵合金由多種元素高濃度固溶在一起,晶體結構清楚而原子分布混亂。研究人員通過原子尺度的元素分布表征,發現高熵合金中的元素出現了獨特的濃度波起伏,各種元素的濃度在晶格間25%到15%的震蕩。

原子的局部不規則排列被稱為位錯,其存在對材料的物理性能,尤其是力學性能,具有極大的影響。在高倍電鏡下,研究人員看到,高熵合金中一條條的位錯線,好像一浪又一浪的錢塘潮,滾滾向前,并形成了“交叉潮”甚至“回頭潮”。

“這樣的位錯移動導致位錯之間的相互作用增加,提供了更多變形的可能,使得合金有更好的均勻變形能力,又有更好的強度。”余倩說。

研究人員介紹,高熵合金中獨特的濃度波調控極為精細且具有連續性,是一種可控和高效的材料強韌化方法。高熵合金強度與塑性兼得的特點以及優良的低溫性能,在航空等對溫度要求較嚴苛領域的材料制備上大有可為,在防撞領域上也將有重要應用。

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