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呂昭平教授團隊再次在國際頂級期刊《Nature》發表學術論文

單位(作者):新金屬材料國家重點實驗室、高精尖創新中心 | 來源:本站原創 | 更新時間:2018-11-19 | 點擊數:

我校新金屬材料國家重點實驗室,北京材料基因工程高精尖創新中心的呂昭平教授團隊打破人們對傳統間隙固溶強化的認知,發現間隙原子的添加不僅能提高合金的強度,也能大幅度提高合金的塑性,并提出了一種設計高強度高塑性金屬材料的新的合金設計思路。國際頂級學術期刊《Nature》11月14日在線發表了呂昭平教授團隊繼去年超高強鋼后又一突破性研究進展。

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金屬材料作為航空航天、交通運輸、國防裝備等國民經濟重要領域的骨干材料,其制造加工過程中不可避免的引入雜質,尤其是無處不在的氧。一旦過量的氧摻雜,脆性的氧化物陶瓷相將會大幅度惡化金屬材料的力學性能,最終導致其災難性的脆性斷裂。因而,金屬的熔煉加工過程中總是盡量避免氧摻雜導致的脆性氧化物相的產生。氧在合金中另外一種存在狀態是以間隙原子的形式存在。在已報道的傳統金屬及合金中,間隙原子的添加雖可以顯著提高合金的強度,但同時也帶來塑性和韌性的大幅度降低。這主要是由于間隙原子易于偏聚于晶界、裂紋尖端、位錯及其它內部應力源,并導致該區域基體的顯著畸變及應力集中,促使局部原子鍵合的破壞和高度集中的局部塑性變形,最終還會導致災難性的脆性斷裂。

呂昭平教授團隊以等原子比TiZrHfNb高熵合金為模型合金,添加適量的氧,發現間隙原子在合金中存在另外一種尚未被人們所發現的新的存在狀態,并將其命名為有序間隙原子復合體(ordered interstitial complexes),這是一種介于常規隨機間隙原子和陶瓷相之間的新的間隙原子存在狀態。這一有序間隙原子復合體結構能夠顯著提高合金的強度和塑性,打破了金屬材料強度和塑性不可兼得的魔咒,為科研工作者重新認識間隙強化和有序強化并設計出高強度高韌性金屬材料提供了新思路。

呂昭平教授團隊所提出的有序間隙原子復合體應變硬化機制并未涉及到合金的相變或孿晶變形,是一種全新的合金強韌化手段。這一合金強韌化手段為難以通過調節層錯能或調控相變實現強韌化的合金體系提供了一種同時提高強度和塑性的新途徑。雖然文章中研究的合金體系為高熵合金,但這一異常間隙強韌化效應卻并不只限于高熵合金,在傳統的合金中也同樣適用。例如,在鈦合金中呂昭平教授團隊也同樣發現了這一現象。同時,文章中雖只報道了間隙氧原子能夠同時提高金屬材料的強度和塑性,然而,選擇合適的合金體系或制備工藝,其它間隙原子也同樣具有類似的強韌化效果。這就說明,這一同時提高合金強度和塑性的有序間隙原子復合體具有普適性,能夠廣泛的應用于設計各種高強度高塑性金屬材料。

相關鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-018-0685-y

(責編:邢華超)


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