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开发出极其坚固且令人难以置信的延展性多组分合金

2019-03-15 15:28:31来源:

由香港城市大学(CityU)领导的一个研究小组已经开发出一种新的策略来开发新的高强度合金,这种合金非常坚固,而且具有延展性和柔韧性。该战略克服了强度 - 延展性权衡困境的关键问题,为未来开发创新结构材料铺平了道路。

多主元素合金,通常称为高熵合金(HEAs),是一种新型材料,由相同或接近等量的五种或更多种金属构成。它们目前是材料科学和工程中关注的焦点,因为它们具有结构应用的潜在所需特性。然而,大多数合金具有相同的关键有害特征:合金的强度越高,延展性和韧性越小,这意味着强合金往往不易变形或可拉伸而不会断裂。

然而,最近,由城大的材料科学与工程系大学杰出教授Liu Chain Tsuan教授领导的研究已经找到了一个突破性的解决方案,解决了这个令人畏惧的长达数十年的困境 - 通过使高熵合金强大和而且通过纳米级颗粒的大量沉淀也非常具有延展性。这项研究刚刚发表在最新一期的“ 科学 ” 杂志上,题为“多组分金属间纳米粒子和复杂合金的优良机械性能”。

解决强度 - 延性权衡问题

“我们能够生产一种名为Al 7 Ti 7((FeCoNi)86 -Al 7 Ti 7)的新型高熵合金,其强度高达1.5千兆帕,在室温下的拉伸强度高达50%。纳米粒子,这种新合金的强度是铁 - 钴 - 镍(FeCoNi)基合金的五倍,“刘教授说。

“大多数传统合金含有一种或两种主要元素,如制造镍和铁,”他解释道。“然而,通过添加铝和钛的其他元素在FeCoNi基合金中形成大量沉淀物,我们发现强度和延展性都得到了显着提高,解决了结构材料的权衡困境的关键问题。”

此外,高强度合金通常面临塑性变形不稳定性,称为颈缩问题,这意味着当合金处于高强度时,其变形将变得不稳定并且非常容易导致颈缩断裂(局部变形),非常有限的均匀伸长率。但该团队进一步发现,通过添加“多组分金属间纳米粒子”,意味着由不同元素原子制成的复杂纳米粒子,它可以通过改善变形不稳定性来大大增强合金。

解决“缩颈问题”

他们已经找到了这些复杂纳米粒子的理想配方,这些纳米粒子由镍,钴,铁,钛和铝原子组成。刘教授解释说,每个纳米粒子只测量30到50纳米。替代一些镍组分的铁和钴原子有助于降低价电子密度并改善新合金的延展性。另一方面,用钛代替一些铝大大降低了空气中水分的影响,以避免在这种新的强合金中引起脆化。

“这项研究为开发高温合金开辟了一项新的设计策略,通过设计多组分纳米粒子来强化复合合金,以在室温和高温下实现卓越的机械性能,”刘教授说。

他认为,采用这种新策略开发的新合金在-200°C至1000°C的温度范围内表现良好。因此,它们可以作为进一步发展低温装置,飞机和航空系统及其他系统结构用途的良好基础。