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《科学》:中美科学家提出提高材料综合强韧性

  “科学”:中美科学家提出了提高材料综合实力和韧性的新途径

  
A(从左至右):固溶强化,第二相析出硬化或弥散,工作(或应变)增强
B:晶粒细化强化(或晶界强化)A \\ u0026 B是传统材料加强方式
C加强纳米尺度孪晶界面的建议新右边示意图是双边界的示意图4月17日号“科学”杂志专刊特邀评论文章,详细介绍了使用纳米级共格界面强化材料的研究成果,中科院由中国中国科学院沉阳材料科学国家的结果(联合)实验室卢克研究员,研究员卢·莱和麻省理工学院。苏雷什教授合作,基于过去大量的研究工作完成的。如何提高材料的强度而不损失可塑性?这是许多材料科学家面临的主要挑战。为了使材料强化后获得良好的总体韧性,强化界面应具有三个关键结构特征:(1)界面与基体之间存在晶体相干关系; (2)界面具有良好的热稳定性和机械稳定性; (3)纳米尺度(100nm)的界面特征尺寸。此外,陆科等研究人员提出了一种新的材料强化原理和方法 - 使用纳米级相干界面强化材料。提高材料的实力是几个世纪以来研究材料的核心问题。到目前为止,材料有四种加固方式:固溶强化,二次弥散强化,加工(或应变)强化和晶粒细化强化。这些加固技术的本质是通过引入各种缺陷(点缺陷,线条,表面和本体缺陷)来防止位错运动,使材料难以产生塑性变形并提高强度。但是,材料的强化往往伴随着塑性或韧性的急剧下降,导致高强度材料往往缺乏塑性和韧性,高塑性韧性材料往往强度低。长期以来,这种材料韧性的“反转”已成为材料领域的重大科学问题,也是制约材料发展的重要瓶颈。传统材料加强技术和更一般的使用或不连贯的晶界相界阻碍位错运动增加强度。当材料引入大量非共形晶界时,强度显着增加(例如,纳米晶材料比粗晶态材料强一个数量级),但是由于位错运动“障碍”(即非相干晶粒边界),晶格位错运动受到严重阻碍甚至完全抑制,不能协调塑性变形,材料变脆。相界晶界或相界是一种特殊而常见的低能界面,界面原子的结构特征位于晶格节点的两侧,即界面晶格两侧相互连接,常见的原子界面。一些连贯的晶界(例如,小角度倾斜晶界)对位错运动具有弱势垒,因此不能有效地加强材料;而其他相干或半连贯晶界能有效抑制位错运动,GP区和沉淀强化Al-Cu合金中Ni基合金的析出或析出等强化效应是等效的。然而,这些沉淀物中的相干界面的稳定性低,当沉淀物长大时,相干关系消失。孪晶界是一个特殊的相干晶界,两边的晶格是镜像对称的。尽管研究表明,在一些退火合金中,单个孪晶界对位错的位错效应可与普通晶界相媲美,但由于孪晶界数量较少,整体强化效应远弱于其他强化机制如固溶强化和细晶强化等)。因此,人们长期以来一直没有使用连贯的界面作为接口来有效地加强材料。然而,相干界面的独特结构使其具有一些特殊的力学行为。一些相干界面(如孪晶界)可以阻碍位错运动和滑移面的变形作为位错在位错过程中吸收和储存位错,从而有助于提高材料的韧性。如果能够有效改善相干界面的稳定性,增加相干界面的密度,则可以利用相干界面来增加材料的强度,同时提高韧性和延展性。卢克等。发现纳米级双界面具有上述增强界面的三个基本结构特征。采用脉冲电沉积技术,在纯铜样品中成功地制备了高密度纳米级双层结构(双层厚度为100nm)。发现随着孪生层厚度的减小,试样的强度和拉伸塑性显着增加。当层厚为15nm时,拉伸屈服强度接近1.0GPa(是普通粗晶Cu的10倍),均匀拉伸伸长率可达13%。显然,这种同时增加强度和延展性的纳米孪晶增强与其他常规增强技术完全不同。理论分析和分子动力学模拟表明,高密度孪晶材料的高强度和高延展性源于纳米尺度孪晶与位错之间的独特相互作用。例如,当一个刃状位错遇到孪晶界,位错与孪晶界,以创建一个新的刃型位错的双层内的滑动,同时创建新的不完整的位错发生反应,位错可以滑过孪晶界。当双层为纳米级时,位错与大量双胞胎相互作用,导致强度增加。与此同时,在孪生边界产生了大量不完全的瞬间错位。它们的滑动和存储为样品带来了高塑性和增强的可操作性。因此,使用纳米级孪晶可以使金属材料也能提高韧性。材料中的纳米级孪晶边界可以通过多种制造技术获得,例如使用诸如电沉积,磁控溅射沉积,塑性变形或退火和再结晶等工艺的金属中的纳米孪晶形成。研究表明,以较快的沉积速率形成较薄的双层片材。 Cu样品中的平均双层在脉冲电沉积中以大于4nm / s的脉冲速率沉积时小于20nm。塑性变形诱发孪晶中下层错配材料(如Cu,Cu合金和不锈钢等)是非常普遍的,提高应变速率或降低变形温度有利于孪晶的形成。 Luke等人最近发展了动态塑性变形(DPD)技术。可以在材料中制造大量的纳米孪晶界,并已成为制备大块纳米晶双晶结构的有效途径。纳米级相干晶界强化材料的使用也可以带来优异的电学性能。结果表明,超高强度纳米双晶铜样品具有与无氧高纯铜相当的高导电性,同时可以实现高强度和高导电性。纳米孪晶结构可有效降低Cu中电致变色原子的扩散迁移率,从而大大降低了电迁移效应,从而找到了一种新的解决方案,以减少微电子器件中铜线的电迁移损伤。有学者还发现,纳米孪晶结构能有效地提高材料的阻尼性能,为高性能阻尼材料的研究开发开辟了一条新的途径。纳米尺度相干界面增强材料的使用已成为提高材料整体性能的新途径。尽管纳米尺度相干界面技术的制备,生长控制,各种物理化学性质,力学性能和因果探索等方面仍然面临着诸多挑战,但这种加强提高工程材料综合性能的新方法显示出了巨大的发展潜力和广泛的应用前景。点击

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