蓋世汽車訊 據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）和田納西大學(xué)（University of Tennessee，UT）的科學(xué)家們找到一種方法，通過將微小的沉淀物引入合金基質(zhì)，并調(diào)整它們的尺寸和間距，可同時(shí)提高合金的強(qiáng)度和延展性。其中，沉淀物是在合金冷卻時(shí)從金屬混合物中分離出來的固體。研究結(jié)果已發(fā)表于期刊《Nature》，將為推進(jìn)結(jié)構(gòu)材料開辟全新途徑。

（圖片來源：橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

延展性是指材料產(chǎn)生永久變型而不斷裂的能力。此外，它還決定材料在破裂之前可以延長(zhǎng)的長(zhǎng)度，以及這種破裂的形式。強(qiáng)度和延展性越高，材料就越堅(jiān)韌。該研究的首席研究員、ORNL和UT高級(jí)合金理論與發(fā)展主要負(fù)責(zé)人Easo George表示：“同時(shí)提升強(qiáng)度和延展性一直都是結(jié)構(gòu)材料的難點(diǎn)。而克服強(qiáng)度與延展性的取舍將有可能打造出新一代輕質(zhì)、堅(jiān)固、耐損壞的材料?！?/p>

如果結(jié)構(gòu)材料可以變得更堅(jiān)固和更具延展性，那么汽車、飛機(jī)、發(fā)電廠、建筑物和橋梁的部件就可以用更少的材料建造。而更輕的車輛在制造和運(yùn)行時(shí)會(huì)更節(jié)能，更堅(jiān)固的基礎(chǔ)設(shè)施也將更具彈性。

ORNL的聯(lián)合首席研究員Ying Yang構(gòu)思并領(lǐng)導(dǎo)了Nature研究。在計(jì)算熱力學(xué)模擬的指導(dǎo)下，Yang設(shè)計(jì)并定制了具有特殊能力的模型合金。該合金具備相變的能力，可因溫度和壓力變化從面心立方（face-centered cubic，F(xiàn)CC）晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方（body-centered cubic，BCC）晶格。

Yang表示：“我們將納米沉淀物放入可轉(zhuǎn)化的基質(zhì)中，并仔細(xì)控制它們的屬性，從而控制基質(zhì)何時(shí)以及如何轉(zhuǎn)化。在這種材料中，我們有意誘導(dǎo)基質(zhì)具有經(jīng)歷相變的能力?！?/p>

該合金包含四種主要元素：鐵、鎳、鋁和鈦，可形成基質(zhì)和沉淀物；以及三種次要元素：碳、鋯和硼，可限制晶粒、單個(gè)金屬晶體的大小。

研究人員小心保持著基質(zhì)組成相同，以及不同樣品中納米沉淀物的總量相同，并通過調(diào)整處理溫度和時(shí)間來改變沉淀物的大小和間距。為作比較，研究人員還制備并測(cè)試了沒有沉淀物但與含沉淀物合金的基質(zhì)具有相同組成的參考合金。

George表示：“材料的強(qiáng)度通常取決于沉淀物彼此之間的接近程度。當(dāng)把沉淀物制成幾納米大小時(shí)，它們可以非常緊密地間隔。間隔越近，材料就越堅(jiān)固?！?/p>

傳統(tǒng)合金中的納米沉淀物可使合金實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度，但也會(huì)使其變得很脆。而此次研究人員發(fā)明的合金可避免這種脆性，因?yàn)槌恋砦镞€具有第二個(gè)可用功能：通過空間限制基質(zhì)，沉淀物可避免在淬火過程（快速浸入水中將合金冷卻到室溫）中轉(zhuǎn)變。因此，基質(zhì)可保持在亞穩(wěn)態(tài)FCC狀態(tài)。隨后，當(dāng)合金被拉伸（“應(yīng)變”）時(shí)，它會(huì)逐漸從亞穩(wěn)態(tài)FCC轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的BCC。應(yīng)變過程中的這種相變會(huì)增加強(qiáng)度，同時(shí)保持足夠的延展性。相比之下，沒有沉淀物的合金在淬火過程中會(huì)完全轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的FCC，不會(huì)經(jīng)歷應(yīng)變過程中的進(jìn)一步轉(zhuǎn)變，從而比具有沉淀物的合金更弱且更脆。總之，常規(guī)沉淀強(qiáng)化和變形誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變的互補(bǔ)機(jī)制使強(qiáng)度提高了20%-90%，延展率提高了300%。

（圖片來源：橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

George表示：“眾所周知，添加沉淀物可阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并使提高材料強(qiáng)度。而此次研究的新穎之處在于調(diào)整沉淀物的間距會(huì)影響相變傾向，從而可以在需要提高延展性時(shí)激活多種變形機(jī)制?！?/p>

該研究還揭示了納米沉淀物的正常強(qiáng)化效果，這種效果具有令人驚訝的逆轉(zhuǎn)性：材質(zhì)相同，具有粗糙、較大間距沉淀物的合金比具有細(xì)膩、較小間距沉淀物的合金的強(qiáng)度更大。當(dāng)納米沉淀變得及其微小且緊密堆積時(shí)，相變會(huì)在材料應(yīng)變過程中關(guān)閉，從而發(fā)生上述逆轉(zhuǎn)。這一點(diǎn)與淬火期間抑制的相變不同。

此項(xiàng)研究基于在ORNL的DOE科學(xué)辦公室（Office of Science）用戶設(shè)施的補(bǔ)充技術(shù)，可表征納米沉淀物和變形機(jī)制。在納米相材料科學(xué)中心（Center for Nanophase Materials Sciences），原子探針斷層掃描可顯示沉淀物的大小、分布和化學(xué)成分，而透射電子顯微鏡可顯示局部區(qū)域的原子細(xì)節(jié)。在高通量同位素反應(yīng)堆（High Flux Isotope Reactor）中，小角度中子散射可量化細(xì)小沉淀物的分布。而在散裂中子源（Spallation Neutron Source），中子衍射可探測(cè)不同應(yīng)變水平后的相變。

Yang稱：“這項(xiàng)研究引入了一個(gè)新的結(jié)構(gòu)合金家族，可以精確定制沉淀特性和合金化學(xué)成分，以在需要避免權(quán)衡強(qiáng)度和延展性時(shí)準(zhǔn)確地激活變形機(jī)制?！苯酉聛?，該團(tuán)隊(duì)將研究其他因素和變形機(jī)制，以確定可以進(jìn)一步提高機(jī)械性能的組合。

事實(shí)證明，結(jié)構(gòu)材料還有很大的改進(jìn)空間。George表示：“當(dāng)前的結(jié)構(gòu)材料只達(dá)到其理論上能力的一小部分，也許只有10%。如果在保持足夠延展性的同時(shí)，將強(qiáng)度增加一倍或三倍，那么汽車或飛機(jī)的重量就有可能會(huì)減輕，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源?！?/p>

返回第一電動(dòng)網(wǎng)首頁 >