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各类元素在微观尺度上究竟如何混合才能形成其性能优势?我国学者破解高熵合金强度与塑性兼得奥秘

2019-10-11 08:39:28    来源:科技日报

9日,记者从浙江大学材料科学与工程学院获悉,该院余倩教授联合美国乔治亚理工学院Ting Zhu教授、加州大学伯克利分校Robert. Ritchie教授开展研究,从解密高熵合金中元素分布开始着手,揭示了高熵合金中晶格调控力学性能的特殊机制,对理解复杂成分合金中的强化机理具有重要理论意义。该成果日前刊登在《自然》杂志。

据了解,区别于元素含量主次明显的传统合金,高熵合金由五种及以上含量相当的金属制成,其晶体结构清楚但元素分布混乱,可兼备高强度和高塑性。但各类元素在微观尺度上究竟如何混合,才能形成其性能优势?以往只知其然却不知其所以然。

通过材料原子尺度的元素分布表征,研究人员发现高熵合金内不同元素的浓度会有起伏,形成状如丘陵的浓度波,不像其在传统合金中那样平直。余倩表示,与传统的界面调控以及团簇等精细结构调控相比,高熵合金中独特的浓度波调控极精细并具有连续性,是一种可控和高效的材料强韧化方法。

“这些‘丘陵’,是晶格尺度下调控位错移动的本质。”余倩介绍道,课题组将实验合金中的锰元素替换成更重的钯元素后,发现浓度波增加了几倍,即“丘陵的海拔大幅增高”。在高倍电镜的放大下,一条条位错线好像阵阵浪潮,却不像普通材料中沿着固定的滑移带那样奔涌向前,反而走得磕磕绊绊。

“位错不沿着原有的晶面走,而是选择了另一个晶面。我们把这样的位错移动称为交滑移。实验测得,大量的交滑移作用,使得合金有更好的均匀变形能力又有更好的强度,我们从而发现了可用于调控传统金属材料的强塑性的新机制。”余倩表示,这在未来航空、南北极等对温度要求严苛的材料制备及防撞领域上将有重要应用。

余倩与课题组成员观察合金中各元素分布

微观视角下,课题组实验用高熵合金中的位错行为。图中所示的“丘陵”,即不同元素的浓度起伏。

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