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多組分金屬間化合物納米粒子和高性能多元合金的設計
發布時間:2018-12-19 14:27:34發布者:Admin新聞種類:前沿動態

同時具有高強度和大延展性的高性能材料非常適合提高工程可靠性、能源效率以及減少材料生產中的二氧化碳排放。然而,由于強度和延展性的矛盾關系,開發同時具有較高強度和延展性的材料就變得極為富有挑戰性。單相合金通常表現出良好的延展性,但強度相對較低;納米孿晶和相變誘導馬氏體的可協同作用而共同增加體系強度。然而,從這些方法獲得的屈服強度仍然非常有限的,通常不足以用于結構應用。第二相金屬間化合物(IMCs)是提高合金強度的有效途徑;然而,大多數具有原子有序結構的IMCs本質上是脆性的。通過引入高密度IMCs增加強度必然會降低材料的斷裂韌性。高活性元素,如Ni3Al金屬間相中的Al,也會增加這些金屬間化合物對潮濕環境的敏感性,從而進一步降低其延展性。此外,IMCs的微觀結構不均勻性往往會引入局部應力-應變集中,并在負載下觸發微裂紋。

在基于單主元素合金體系設計無法有效突破(進一步優化合金化學和微觀結構的能力有限)的情況下,多元素合金系統的設計為解決此類問題提供絕佳的途徑。這是一種創新的設計策略,目的在于消除高強度合金的延性損失。設計理念為可控制地合成用于fcc型HEA系統中的相干強化的延性多組分金屬間納米粒子(MCINPs),通過控制有序-無序相變和元素分配,實現了MCINPs的納米級沉淀的原位延展化(圖1)。

圖1

這種概念設計不僅能夠充分發揮金屬間納米粒子的強化作用,而且能夠保持較高的加工硬化率和塑性變形穩定性。因此,MCINP強化合金(MCINPS)具有出色的強度-延展性綜合性能,并且也不會遇到早期局部縮頸和有限均勻延展性等常見問題。這種MCINP強化合金在環境溫度下具有1.5GPa的優異強度和高達50%的延展性(圖2)。

圖2

通過在塑性變形過程中因超高位錯活性及形變誘導微帶產生的多級加工硬化行為,消除了材料塑性失穩現象(圖3),從而進一步提高了材料的強度,并為下一代高性能結構材料的開發提供了一種新的開發思路。

圖3

來源:T. Yang,Y. L. Zhao, Y. Tong, Z. B. Jiao, J. Wei, J. X. Cai, X. D. Han, D. Chen, A. Hu. Multicomponent intermetallic nanoparticles and superb mechanical behaviors of complex alloys, Science, 2018, 362(6417), 933.

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