科学家发现提高合金强度和延展性的新方法 可用于汽车
盖世汽车讯 据外媒报道，美国能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）和田纳西大学（University of Tennessee，UT）的科学家们找到一种方法，通过将微小的沉淀物引入合金基质，并调整它们的尺寸和间距，可同时提高合金的强度和延展性。其中，沉淀物是在合金冷却时从金属混合物中分离出来的固体。研究结果已发表于期刊《Nature》，将为推进结构材料开辟全新途径。
（图片来源：橡树岭国家实验室）
延展性是指材料产生永久变型而不断裂的能力。此外，它还决定材料在破裂之前可以延长的长度，以及这种破裂的形式。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高级合金理论与发展主要负责人Easo George表示：“同时提升强度和延展性一直都是结构材料的难点。而克服强度与延展性的取舍将有可能打造出新一代轻质、坚固、耐损坏的材料。”
如果结构材料可以变得更坚固和更具延展性，那么汽车、飞机、发电厂、建筑物和桥梁的部件就可以用更少的材料建造。而更轻的车辆在制造和运行时会更节能，更坚固的基础设施也将更具弹性。
ORNL的联合首席研究员Ying Yang构思并领导了Nature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。该合金具备相变的能力，可因温度和压力变化从面心立方（face-centered cubic，FCC）晶格转变为体心立方（body-centered cubic，BCC）晶格。
Yang表示：“我们将纳米沉淀物放入可转化的基质中，并仔细控制它们的属性，从而控制基质何时以及如何转化。在这种材料中，我们有意诱导基质具有经历相变的能力。”
该合金包含四种主要元素：铁、镍、铝和钛，可形成基质和沉淀物；以及三种次要元素：碳、锆和硼，可限制晶粒、单个金属晶体的大小。
研究人员小心保持着基质组成相同，以及不同样品中纳米沉淀物的总量相同，并通过调整处理温度和时间来改变沉淀物的大小和间距。为作比较，研究人员还制备并测试了没有沉淀物但与含沉淀物合金的基质具有相同组成的参考合金。
George表示：“材料的强度通常取决于沉淀物彼此之间的接近程度。当把沉淀物制成几纳米大小时，它们可以非常紧密地间隔。间隔越近，材料就越坚固。”
传统合金中的纳米沉淀物可使合金实现超高强度，但也会使其变得很脆。而此次研究人员发明的合金可避免这种脆性，因为沉淀物还具有第二个可用功能：通过空间限制基质，沉淀物可避免在淬火过程（快速浸入水中将合金冷却到室温）中转变。因此，基质可保持在亚稳态FCC状态。随后，当合金被拉伸（“应变”）时，它会逐渐从亚稳态FCC转变为稳定的BCC。应变过程中的这种相变会增加强度，同时保持足够的延展性。相比之下，没有沉淀物的合金在淬火过程中会完全转变为稳定的FCC，不会经历应变过程中的进一步转变，从而比具有沉淀物的合金更弱且更脆。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%，延展率提高了300%。
（图片来源：橡树岭国家实验室）
George表示：“众所周知，添加沉淀物可阻止位错运动并使提高材料强度。而此次研究的新颖之处在于调整沉淀物的间距会影响相变倾向，从而可以在需要提高延展性时激活多种变形机制。”
该研究还揭示了纳米沉淀物的正常强化效果，这种效果具有令人惊讶的逆转性：材质相同，具有粗糙、较大间距沉淀物的合金比具有细腻、较小间距沉淀物的合金的强度更大。当纳米沉淀变得及其微小且紧密堆积时，相变会在材料应变过程中关闭，从而发生上述逆转。这一点与淬火期间抑制的相变不同。
此项研究基于在ORNL的DOE科学办公室（Office of Science）用户设施的补充技术，可表征纳米沉淀物和变形机制。在纳米相材料科学中心（Center for Nanophase Materials Sciences），原子探针断层扫描可显示沉淀物的大小、分布和化学成分，而透射电子显微镜可显示局部区域的原子细节。在高通量同位素反应堆（High Flux Isotope Reactor）中，小角度中子散射可量化细小沉淀物的分布。而在散裂中子源（Spallation Neutron Source），中子衍射可探测不同应变水平后的相变。
Yang称：“这项研究引入了一个新的结构合金家族，可以精确定制沉淀特性和合金化学成分，以在需要避免权衡强度和延展性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性能的组合。
事实证明，结构材料还有很大的改进空间。George表示：“当前的结构材料只达到其理论上能力的一小部分，也许只有10%。如果在保持足够延展性的同时，将强度增加一倍或三倍，那么汽车或飞机的重量就有可能会减轻，进而实现节约能源。”
