科学家发现提高合金强度和延展性的新方法 可用于汽车

据外媒报道，美国能源部橡树岭国家实验室和田纳西大学的科学家找到了一种方法，通过在合金基体中引入小沉淀物并调整其尺寸和间距，同时提高合金的强度和延展性。其中，沉积物是在合金冷却过程中从金属混合物中分离出来的固体。研究结果已发表在《自然》杂志上，这将为推广结构材料开辟一条新途径。

延展性是指材料在不断裂的情况下发生永久变形的能力。此外，它还决定了材料在断裂前可以延伸的长度，以及这种断裂的形式。强度和延展性越高，材料就越坚韧。该研究的首席研究员、ORNL和UT高级合金理论和开发的主要领导者Easo George，他说：“提高强度和延性一直是结构材料面临的挑战。克服强度和延性之间的权衡将有可能创造出新一代轻质、坚固和抗损伤的材料。”如果结构材料能够变得更强、更具韧性，那么汽车、飞机、，发电厂建筑物和桥梁的部件可以用更少的材料建造。更轻的汽车在制造和运营方面将更节能，更强大的基础设施也将更有弹性。ORNL联合首席研究员杨颖构思并领导了这项《自然》研究。在计算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。由于温度和压力的变化，这种合金具有从面心立方晶格转变为体心立方晶格的能力。杨说：“我们将纳米沉淀物放入可转换的基体中，并仔细控制其财产，以控制基体何时以及如何转换。在这种材料中，我们有意诱导基体具有相变能力。”该合金包含四种主要元素：铁、镍、铝和钛，它们可以形成基体和沉淀物；

以及三种次要元素：碳、锆和硼，它们可以限制晶粒和单个金属晶体的尺寸。研究人员在不同的样品中谨慎地保持相同的基质成分和相同的纳米沉淀物总量，并通过调整处理温度和时间来调整沉淀物的尺寸和间距。为了进行比较，研究人员还制备并测试了没有沉淀物但成分与含有沉淀合金的基体相同的参考合金。乔治说：“材料的强度通常取决于沉淀物彼此的接近程度。当沉淀物的尺寸达到几纳米时，它们的间距可以非常近。间距越近，材料就越坚固。”传统合金中的纳米沉淀物可以达到超高强度，但也会使其变得非常脆。研究人员在这项研究中发明的合金可以避免这种脆性，因为沉淀物还有第二个有用的功能：通过限制空间中的基体，沉淀物可以避免淬火过程中的转变。因此，基体可以保持在亚稳态FCC状态。随后，随着合金的拉伸，它逐渐从亚稳的FCC转变为稳定的BCC。应变过程中的这种相变增加了强度，同时保持了足够的延展性。相反，没有沉淀物的合金在淬火过程中会完全转变为稳定的FCC，而在应变过程中不会进一步转变，使其比有沉淀物的合金更弱、更脆。总之，常规沉淀强化和变形诱导转变的互补机制使强度提高了20%-90%，伸长率提高了300%。

George说：“众所周知，添加沉淀物可以防止位错运动并提高材料强度。这项研究的新颖之处在于，调整沉淀物的间距可以影响相变趋势，从而在需要提高延展性时激活多种变形机制。“这项研究还揭示了纳米沉淀物的正常强化作用，它具有令人惊讶的可逆性：同一材料具有粗糙度。具有较大间距沉积物的合金比具有较小间距沉积物的更细合金具有更大的强度。当纳米沉淀物变得极小且紧密堆积时，相变将在材料应变过程中结束，”在前面提到的反转中。这与淬火过程中被抑制的相变不同。这项研究基于位于ORNL的DOE科学办公室用户设施的补充技术，该技术可以表征纳米沉淀物和变形机制。在纳米相材料科学中心，原子探针断层扫描可以显示沉积物的大小、分布和化学成分，而透射电子显微镜可以显示局部区域的原子细节。在高通量同位素反应堆中，小角度中子散射可以量化小沉淀物的分布。在散裂中子源中，中子衍射可以探测不同应变水平后的相变。Yang说：“这项研究引入了一种新的结构合金家族，它可以精确地定制沉淀特性和合金化学成分，从而在避免强度和延展性之间的权衡时准确地激活变形机制。”接下来，该团队将研究其他因素和变形机制，以确定可以进一步提高机械财产的组合。事实证明，结构材料仍有很大的改进空间。乔治说：“目前的结构材料只达到其理论承载力的一小部分，可能只有10%。如果在保持足够延展性的同时将强度提高一到三倍，那么汽车或飞机的重量可能会减少，从而实现节能

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