“科学家发现提高合金强度和延展性的新做法 可用于汽车”

据世界汽车新闻报道，美国能源部橡树岭国家研究所 国家实验室，ornl和田纳西大学 tennessee，ut]的科学家们将找到一种做法，并通过它 研究结果已经发表在期刊《nature》上，将为推广结构材料开辟新的途径。

(照片来源:橡树岭国家研究所)

延性是指材料不断裂永久变形的能力。 另外，还决定了材料破裂前可以延长的长度及其破裂的形状。 强度和延展性越高，材料越坚韧。 该研究的首席研究员ornl和ut高级合金理论与快速发展的首要负责人easo george认为:“提高强度和延性是结构材料的难点。 通过克服强度和延展性的权衡，可以制造出新一代的轻量、坚固、具有耐损伤性的材料。 ”

如果能够使结构材料更坚固，更具扩展性，就可以用更少的材料建造汽车、飞机、发电站、建筑物、桥梁的零件。 更轻的车辆在制造和运行时更节能，更牢固的基础设施也更灵活。

ornl的联合首席研究员ying yang构思并指导了nature的研究。 在热力学模拟的指导下，yang设计并定制了具有特殊能力的模型合金。 该合金具有相变的能力，根据温度和压力的变化，可以从面心立方 cubic、fcc晶格转换为体心立方body-centered cubic、bcc晶格。

yang说:“我们将纳米沉淀物放入可转化的基质中，仔细控制它们的属性，控制基质何时以及如何转化。 在这种材料中，我们有意识地使基质具有经历相变的能力。 ”

该合金含有铁、镍、铝、钛四种主要元素，可以与基体形成沉淀物； 碳、锆、硼三种副元素限制了晶粒、各个金属晶体的大小。

研究人员仔细维持基质组成相同和不同样品中纳米沉淀物总量相同，通过调整解决温度和时间来改变沉淀物的大小和间隔。 为了比较，还制作了没有沉淀物，但具有与含沉淀物合金基体相同组成的参考合金，并进行了测试。

george说:“材料的强度一般取决于沉淀物之间的接近程度。 把沉淀物做成几纳米大小的话，可以非常紧密地隔开间隔。 间隔越近，材料越坚固。 ”

以前流传下来的合金中的纳米沉淀物可以使合金达到超高强度，但也会变脆。 这次研究者发明的合金可以消除这种脆性。 因为沉淀物还可以通过在空之间限制基质，使沉淀物在淬火过程(快速浸入水中将合金冷却至室温)中不发生变化。 这样，基质就可以保持在准稳定的fcc状态。 之后，当合金被拉伸(“应变”)时，从亚稳定fcc变化为稳定bcc。 应变过程中的这种相变会增加强度，维持充分的延展性。 相比之下，无沉淀物合金在淬火过程中完全转变为稳定的fcc，不经历应变过程的进一步变化，因此比有沉淀物的合金弱而脆。 总之，常规沉淀强化和变形诱导转移的互补机制使强度提高了20%-90%，延伸率提高了300%。

(照片来源:橡树岭国家研究所)

george说:“已知通过添加沉淀物来停止位错的移动，从而提高材料的强度。 此次研究的新奇之处在于，调整沉淀物的间隔会影响相变趋势，在需要提高延性的情况下可以激活各种变形机制。 ”。

该研究还揭示了纳米沉淀物的正常强化效果。 这个效果具有惊人的逆转性。 材质相同、具有粗、大沥青沉淀物的合金比具有细、小沥青沉淀物的合金强度大。 当纳米沉淀在其微小而紧密的沉积中，相变在材料应变的过程中关闭，发生上述逆转。 这些和淬火中被抑制的变态有所不同。

该研究基于ornl的doe科学办公室 ofscience]在客户设施中的补充技术，可以表征纳米沉淀物和变形机理。 在纳米相材料科学中心( centerfornanophase materials sciences ) )，可以通过原子探针断层摄影显示沉淀物的大小、分布和化学成分，在透射电镜中是局部区域 对于高通量同位素反应堆( high flux isotope reactor )，可以通过小立场的中子散射来量化小沉淀物的分布。 另一方面，在散射中子源( spallationneutron(/h/) source ) )中，可以通过中子衍射检测出不同应变水平之后的相变。

yang说:“这项研究可以引入新的结构合金家族，精密揭示沉淀特征和合金化学成分，在不权衡强度和延展性的情况下，准确地激活变形机理。” 接下来，该团队将探讨其他因素和变形机理，明确可以进一步提高机械性能的组合。

事实表明，结构材料还有很大的改善空之间。 george说:“现在的结构材料只是其理论能力的一小部分，也许只是10%。 如果在保持足够延展性的同时，使强度增加2倍或3倍，则汽车和飞机的重量会变轻，有可能节省能源。 ”