香港城大Science：多組分金屬間納米粒子和復雜合金的優良力學行為

木文韜 5年前 (2018-11-23) 5451瀏覽

【引言】

具有千兆帕斯卡強度和大延展性的高性能材料非常適合提高工程可靠性和能源效率，以及減少材料生產中的CO₂排放。然而，由于強度和延展性的相互排斥關系，開發具有顯著提高強度和延展性的先進材料是非常具有挑戰性的。單相合金通常表現出良好的延展性，但強度相對較低。納米孿晶和相變誘導馬氏體的引入已經顯示出它們能夠共同增加強度。然而，從這些方法獲得的屈服強度仍然是有限的，這通常不足以用于結構應用。第二相金屬間化合物（IMCs）是提高合金強度的有效途徑；然而，大多數具有原子有序結構的IMCs本質上是脆性的。通過引入高密度IMCs增加千兆帕斯卡強度必然會降低對斷裂的抵抗力。高活性元素，如Ni₃Al金屬間相中的Al，也會增加這些金屬間化合物對潮濕環境脆化的敏感性，并進一步降低其拉伸延展性。此外，IMCs的微觀結構不均勻性往往會引入局部應力-應變集中，并在負載下觸發微裂紋。因此，塑性失穩的早期發生會導致這些材料的災難性故障。

?【成果簡介】

今日，在香港城市大學劉錦川教授（通訊作者）團隊的帶領下，與香港理工大學、北京工業大學、中國科學院金屬研究所和中南大學合作，在基于單主元合金系統的合金設計無法突破這一棘手的難題下（進一步優化合金化學和微觀結構的能力有限），團隊最近提出的多元素合金系統的冶金設計為緩解這些問題提供了一條有希望的途徑。在這項研究中，團隊開發了一種創新的設計策略，以消除千兆帕斯卡強度合金的延性損失。設計理念是在可控制地制造用于fcc型HEA系統中的相干強化的延性多組分金屬間納米粒子（MCINPs），通過控制有序-無序相變和元素分配，實現了MCINPs的納米級沉淀的原位延展化。這種概念設計不僅能夠充分發揮金屬間納米粒子的強化作用，而且能夠保持較高的加工硬化率和塑性變形穩定性。因此，MCINP強化合金（MCINPS）具有出色的強度-延展性組合，而不會遇到早期局部縮頸和有限均勻延展性的常見問題。這種MCINP強化合金在環境溫度下具有1.5千兆帕的優異強度和高達50％的延展性。相關成果以題為“Multicomponent intermetallic nanoparticles and superb mechanical behaviors of complex alloys”發表在了Science上。

?【圖文導讀】

圖1 MCINPS合金的概念設計和微觀結構表征