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admin2021-07-1045

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盖世汽车讯 据外媒报道,美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL)和田纳西大学(University of Tennessee,UT)的科学家们找到一种方式,通过将细小的沉淀物引入合金基质,并调整它们的尺寸和间距,可同时提高合金的强度和延展性。其中,沉淀物是在合金冷却时从金属夹杂物中星散出来的固体。研究效果已揭晓于期刊《Nature》,将为推进结构质料开拓全新途径。

(图片泉源:橡树岭国家实验室)

延展性是指质料发生永远变型而不停裂的能力。此外,它还决议质料在破碎之前可以延伸的长度,以及这种破碎的形式。强度和延展性越高,质料就越坚韧。该研究的首席研究员、ORNL和UT高级合金理论与生长主要认真人Easo George示意:“同时提升强度和延展性一直都是结构质料的难点。而战胜强度与延展性的取舍将有可能打造出新一代轻质、坚硬、耐损坏的质料。”

若是结构质料可以变得更坚硬和更具延展性,那么汽车、飞机、发电厂、修建物和桥梁的部件就可以用更少的质料制作。而更轻的车辆在制造和运行时会更节能,更坚硬的基础设施也将更具弹性。

ORNL的团结首席研究员Ying Yang构想并向导了Nature研究。在盘算热力学模拟的指导下,Yang设计并定制了具有特殊能力的模子合金。该合金具备相变的能力,可因温度和压力转变从面心立方(face-centered cubic,FCC)晶格转变为体心立方(body-centered cubic,BCC)晶格。

Yang示意:“我们将纳米沉淀物放入可转化的基质中,并仔细控制它们的属性,从而控制基质何时以及若何转化。在这种质料中,我们有意诱导基质具有履历相变的能力。”

该合金包罗四种主要元素:铁、镍、铝和钛,可形成基质和沉淀物;以及三种次要元素:碳、锆和硼,可限制晶粒、单个金属晶体的巨细。

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研究职员小心保持着基质组成相同,以及差异样品中纳米沉淀物的总量相同,并通过调整处置温度和时间来改变沉淀物的巨细和间距。为作对照,研究职员还制备并测试了没有沉淀物但与含沉淀物合金的基质具有相同组成的参考合金。

George示意:“质料的强度通常取决于沉淀物相互之间的靠近水平。当把沉淀物制成几纳米巨细时,它们可以异常慎密地距离。距离越近,质料就越坚硬。”

传统合金中的纳米沉淀物可使合金实现超高强度,但也会使其变得很脆。而此次研究职员发现的合金可阻止这种脆性,由于沉淀物还具有第二个可用功效:通过空间限制基质,沉淀物可阻止在淬火历程(快速浸入水中将合金冷却到室温)中转变。因此,基质可保持在亚稳态FCC状态。随后,当合金被拉伸(“应变”)时,它会逐渐从亚稳态FCC转变为稳固的BCC。应变历程中的这种相变会增增强度,同时保持足够的延展性。相比之下,没有沉淀物的合金在淬火历程中会完全转变为稳固的FCC,不会履历应变历程中的进一步转变,从而比具有沉淀物的合金更弱且更脆。总之,通例沉淀强化和变形诱导转变的互补机制使强度提高了20%-90%,延展率提高了300%。

(图片泉源:橡树岭国家实验室)

George示意:“众所周知,添加沉淀物可阻止位错运动并使提高质料强度。而此次研究的新颖之处在于调整沉淀物的间距会影响相变倾向,从而可以在需要提高延展性时激活多种变形机制。”

该研究还展现了纳米沉淀物的正常强化效果,这种效果具有令人惊讶的逆转性:材质相同,具有粗拙、较大间距沉淀物的合金比具有细腻、较小间距沉淀物的合金的强度更大。当纳米沉淀变得及其细小且慎密聚积时,相变会在质料应变历程中关闭,从而发生上述逆转。这一点与淬火时代抑制的相变差异。

此项研究基于在ORNL的DOE科学办公室(Office of Science)用户设施的弥补手艺,可表征纳米沉淀物和变形机制。在纳米相质料科学中央(Center for Nanophase Materials Sciences),原子探针断层扫描可显示沉淀物的巨细、漫衍和化学因素,而透射电子显微镜可显示局部区域的原子细节。在高通量同位素反映堆(High Flux Isotope Reactor)中,小角度中子散射可量化细小沉淀物的漫衍。而在散裂中子源(Spallation Neutron Source),中子衍射可探测差异应变水平后的相变。

Yang称:“这项研究引入了一个新的结构合金家族,可以准确定制沉淀特征和合金化学因素,以在需要阻止权衡强度和延展性时准确地激活变形机制。”接下来,该团队将研究其他因素和变形机制,以确定可以进一步提高机械性能的组合。

事实证实,结构质料另有很大的改善空间。George示意:“当前的结构质料只到达其理论上能力的一小部门,也许只有10%。若是在保持足够延展性的同时,将强度增添一倍或三倍,那么汽车或飞机的重量就有可能会减轻,进而实现节约能源。”

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