中美科学家揭示“百炼钢”化为“绕指柔”的内部机制

中美科学家团队合作揭示了金属材料同时具备高强度和高塑性的内部机制,这一发现将为关键材料的性能优化设计和高性能合金研发提供支撑。相关成果于北京时间10日在线刊登于《自然》杂志。

近年来科学家们发现,将多种元素等原子比固溶在一起,理论上能够制得原子排列有序而元素排列无序的高熵合金,部分高熵合金可以同时具备高强度和高塑性,从而打破传统金属中“鱼与熊掌”难以兼得的困境。

浙江大学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材料系朱廷教授、加州大学伯克利分校材料系主任罗伯特·里奇教授合作,从解密高熵合金中元素分布入手,揭开了“百炼刚”化成“绕指柔”的奥秘。

高熵合金由多种元素高浓度固溶在一起,晶体结构清楚而原子分布混乱。研究人员通过原子尺度的元素分布表征,发现高熵合金中的元素出现了独特的浓度波起伏,各种元素的浓度在晶格间25%到15%的震荡。

原子的局部不规则排列被称为位错,其存在对材料的物理性能,尤其是力学性能,具有极大的影响。在高倍电镜下,研究人员看到,高熵合金中一条条的位错线,好像一浪又一浪的钱塘潮,滚滚向前,并形成了“交叉潮”甚至“回头潮”。

“这样的位错移动导致位错之间的相互作用增加,提供了更多变形的可能,使得合金有更好的均匀变形能力,又有更好的强度。”余倩说。

研究人员介绍,高熵合金中独特的浓度波调控极为精细且具有连续性,是一种可控和高效的材料强韧化方法。高熵合金强度与塑性兼得的特点以及优良的低温性能,在航空等对温度要求较严苛领域的材料制备上大有可为,在防撞领域上也将有重要应用。