蓋世汽車訊 據外媒報道，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）和田納西大學（University of Tennessee，UT）的科學家們找到一種方法，通過將微小的沉淀物引入合金基質，并調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。研究結果已發表于期刊《Nature》，將為推進結構材料開辟全新途徑。

（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高級合金理論與發展主要負責人Easo George表示：“同時提升強度和延展性一直都是結構材料的難點。而克服強度與延展性的取舍將有可能打造出新一代輕質、堅固、耐損壞的材料?！?/p>

如果結構材料可以變得更堅固和更具延展性，那么汽車、飛機、發電廠、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能，更堅固的基礎設施也將更具彈性。

ORNL的聯合首席研究員Ying Yang構思并領導了Nature研究。在計算熱力學模擬的指導下，Yang設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，FCC）晶格轉變為體心立方（body-centered cubic，BCC）晶格。

Yang表示：“我們將納米沉淀物放入可轉化的基質中，并仔細控制它們的屬性，從而控制基質何時以及如何轉化。在這種材料中，我們有意誘導基質具有經歷相變的能力?！?/p>

該合金包含四種主要元素：鐵、鎳、鋁和鈦，可形成基質和沉淀物；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>

傳統合金中的納米沉淀物可使合金實現超高強度，但也會使其變得很脆。而此次研究人員發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，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）中轉變。因此，基質可保持在亞穩態FCC狀態。隨后，當合金被拉伸（“應變”）時，它會逐漸從亞穩態FCC轉變為穩定的BCC。應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變為穩定的FCC，不會經歷應變過程中的進一步轉變，從而比具有沉淀物的合金更弱且更脆?？傊?，常規沉淀強化和變形誘導轉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。”

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性：材質相同，具有粗糙、較大間距沉淀物的合金比具有細膩、較小間距沉淀物的合金的強度更大。當納米沉淀變得及其微小且緊密堆積時，相變會在材料應變過程中關閉，從而發生上述逆轉。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科學辦公室（Office of Science）用戶設施的補充技術，可表征納米沉淀物和變形機制。在納米相材料科學中心（Center for Nanophase Materials Sciences），原子探針斷層掃描可顯示沉淀物的大小、分布和化學成分，而透射電子顯微鏡可顯示局部區域的原子細節。在高通量同位素反應堆（High Flux Isotope Reactor）中，小角度中子散射可量化細小沉淀物的分布。而在散裂中子源（Spallation Neutron Source），中子衍射可探測不同應變水平后的相變。

Yang稱：“這項研究引入了一個新的結構合金家族，可以精確定制沉淀特性和合金化學成分，以在需要避免權衡強度和延展性時準確地激活變形機制。”接下來，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，結構材料還有很大的改進空間。George表示：“當前的結構材料只達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，進而實現節約能源。”

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