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多组分金属间化合物纳米粒子和高性能多元合金的设计
发布时间:2018-12-19 14:27:34发布者:Admin新闻种类:前沿动态

同时具有高强度和大延展性的高性能材料非常适合提高工程可靠性、能源效率以及减少材料生产中的二氧化碳排放。然而,由于强度和延展性的矛盾关系,开发同时具有较高强度和延展性的材料就变得极为富有挑战性。单相合金通常表现出良好的延展性,但强度相对较低;纳米孪晶和相变诱导马氏体的可协同作用而共同增加体系强度。然而,从这些方法获得的屈服强度仍然非常有限的,通常不足以用于结构应用。第二相金属间化合物(IMCs)是提高合金强度的有效途径;然而,大多数具有原子有序结构的IMCs本质上是脆性的。通过引入高密度IMCs增加强度必然会降低材料的断裂韧性。高活性元素,如Ni3Al金属间相中的Al,也会增加这些金属间化合物对潮湿环境的敏感性,从而进一步降低其延展性。此外,IMCs的微观结构不均匀性往往会引入局部应力-应变集中,并在负载下触发微裂纹。

在基于单主元素合金体系设计无法有效突破(进一步优化合金化学和微观结构的能力有限)的情况下,多元素合金系统的设计为解决此类问题提供绝佳的途径。这是一种创新的设计策略,目的在于消除高强度合金的延性损失。设计理念为可控制地合成用于fcc型HEA系统中的相干强化的延性多组分金属间纳米粒子(MCINPs),通过控制有序-无序相变和元素分配,实现了MCINPs的纳米级沉淀的原位延展化(图1)。

图1

这种概念设计不仅能够充分发挥金属间纳米粒子的强化作用,而且能够保持较高的加工硬化率和塑性变形稳定性。因此,MCINP强化合金(MCINPS)具有出色的强度-延展性综合性能,并且也不会遇到早期局部缩颈和有限均匀延展性等常见问题。这种MCINP强化合金在环境温度下具有1.5GPa的优异强度和高达50%的延展性(图2)。

图2

通过在塑性变形过程中因超高位错活性及形变诱导微带产生的多级加工硬化行为,消除了材料塑性失稳现象(图3),从而进一步提高了材料的强度,并为下一代高性能结构材料的开发提供了一种新的开发思路。

图3

来源:T. Yang,Y. L. Zhao, Y. Tong, Z. B. Jiao, J. Wei, J. X. Cai, X. D. Han, D. Chen, A. Hu. Multicomponent intermetallic nanoparticles and superb mechanical behaviors of complex alloys, Science, 2018, 362(6417), 933.

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