蓋世汽車訊 據(jù)外媒報道，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（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，可同時提高合金的強度和延展性。其中，沉淀物是在合金冷卻時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》，將為推進結(jié)構(gòu)材料開辟全新途徑。

（圖片來源：橡樹嶺國家實驗室）

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的長度，以及這種破裂的形式。強度和延展性越高，材料就越堅韌。該研究的首席研究員、ORNL和UT高級合金理論與發(fā)展主要負(fù)責(zé)人Easo George表示：“同時提升強度和延展性一直都是結(jié)構(gòu)材料的難點。而克服強度與延展性的取舍將有可能打造出新一代輕質(zhì)、堅固、耐損壞的材料。”

如果結(jié)構(gòu)材料可以變得更堅固和更具延展性，那么汽車、飛機、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行時會更節(jié)能，更堅固的基礎(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。在計算熱力學(xué)模擬的指導(dǎo)下，Yang設(shè)計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。”

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，它們可以非常緊密地間隔。間隔越近，材料就越堅固?！?/p>

傳統(tǒng)合金中的納米沉淀物可使合金實現(xiàn)超高強度，但也會使其變得很脆。而此次研究人員發(fā)明的合金可避免這種脆性，因為沉淀物還具有第二個可用功能：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，它會逐漸從亞穩(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增加強度，同時保持足夠的延展性。相比之下，沒有沉淀物的合金在淬火過程中會完全轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的FCC，不會經(jīng)歷應(yīng)變過程中的進一步轉(zhuǎn)變，從而比具有沉淀物的合金更弱且更脆?？傊Ｒ?guī)沉淀強化和變形誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變的互補機制使強度提高了20%-90%，延展率提高了300%。

（圖片來源：橡樹嶺國家實驗室）

George表示：“眾所周知，添加沉淀物可阻止位錯運動并使提高材料強度。而此次研究的新穎之處在于調(diào)整沉淀物的間距會影響相變傾向，從而可以在需要提高延展性時激活多種變形機制?！?/p>

該研究還揭示了納米沉淀物的正常強化效果，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度更大。當(dāng)納米沉淀變得及其微小且緊密堆積時，相變會在材料應(yīng)變過程中關(guān)閉，從而發(fā)生上述逆轉(zhuǎn)。這一點與淬火期間抑制的相變不同。

此項研究基于在ORNL的DOE科學(xué)辦公室（Office of Science）用戶設(shè)施的補充技術(shù)，可表征納米沉淀物和變形機制。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），中子衍射可探測不同應(yīng)變水平后的相變。

Yang稱：“這項研究引入了一個新的結(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)衡強度和延展性時準(zhǔn)確地激活變形機制?！苯酉聛?，該團隊將研究其他因素和變形機制，以確定可以進一步提高機械性能的組合。

事實證明，結(jié)構(gòu)材料還有很大的改進空間。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，將強度增加一倍或三倍，那么汽車或飛機的重量就有可能會減輕，進而實現(xiàn)節(jié)約能源?！?/p>

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