中美科學(xué)家揭示“百煉鋼”化為“繞指柔”的內(nèi)部機(jī)制

中美科學(xué)家團(tuán)隊(duì)合作揭示了金屬材料同時(shí)具備高強(qiáng)度和高塑性的內(nèi)部機(jī)制，這一發(fā)現(xiàn)將為關(guān)鍵材料的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)和高性能合金研發(fā)提供支撐。相關(guān)成果于北京時(shí)間10日在線刊登于《自然》雜志。

近年來科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，將多種元素等原子比固溶在一起，理論上能夠制得原子排列有序而元素排列無序的高熵合金，部分高熵合金可以同時(shí)具備高強(qiáng)度和高塑性，從而打破傳統(tǒng)金屬中“魚與熊掌”難以兼得的困境。

浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、電子顯微鏡中心張澤院士團(tuán)隊(duì)的余倩教授和美國喬治亞理工學(xué)院材料系朱廷教授、加州大學(xué)伯克利分校材料系主任羅伯特·里奇教授合作，從解密高熵合金中元素分布入手，揭開了“百煉剛”化成“繞指柔”的奧秘。

高熵合金由多種元素高濃度固溶在一起，晶體結(jié)構(gòu)清楚而原子分布混亂。研究人員通過原子尺度的元素分布表征，發(fā)現(xiàn)高熵合金中的元素出現(xiàn)了獨(dú)特的濃度波起伏，各種元素的濃度在晶格間25%到15%的震蕩。

原子的局部不規(guī)則排列被稱為位錯(cuò)，其存在對材料的物理性能，尤其是力學(xué)性能，具有極大的影響。在高倍電鏡下，研究人員看到，高熵合金中一條條的位錯(cuò)線，好像一浪又一浪的錢塘潮，滾滾向前，并形成了“交叉潮”甚至“回頭潮”。

“這樣的位錯(cuò)移動(dòng)導(dǎo)致位錯(cuò)之間的相互作用增加，提供了更多變形的可能，使得合金有更好的均勻變形能力，又有更好的強(qiáng)度�！庇噘徽f。

研究人員介紹，高熵合金中獨(dú)特的濃度波調(diào)控極為精細(xì)且具有連續(xù)性，是一種可控和高效的材料強(qiáng)韌化方法。高熵合金強(qiáng)度與塑性兼得的特點(diǎn)以及優(yōu)良的低溫性能，在航空等對溫度要求較嚴(yán)苛領(lǐng)域的材料制備上大有可為，在防撞領(lǐng)域上也將有重要應(yīng)用。