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中科院力學所等在材料強-韌對立的納米析出相設計研究中獲進展

發布時間:2020/2/25編輯:Ma Liang 人氣:2836


阿儀網 實驗室動態】工程材料通常需要經過一定的處理流程以提升其抵抗變形的能力,尤其是抵抗位錯的運動導致的初始塑性變形或者屈服,材料在這一點的應力值對應于其強度。和人們熟知的彈性變形不同,塑性變形是不可恢復的。與此同時,金屬材料的塑性變形量,或者韌性,是衡量其應用的另一個關鍵指標。如果位錯在運動中受到阻礙或者非連續的界面時,需要施加更高的應力以驅動它們,也即材料獲得了強化。

  在諸多的強化途徑中,析出強化具有非常悠久的歷史,今天被廣泛應用于工程中的鋁合金、鎳基超級合金、馬氏體鋼,以及高熵合金等都采用了這一強化機制。然而這種基于傳統析出相強化的方法面臨巨大挑戰:析出相的強化同樣可導致位錯的局部塞積,由此形成應力集中而降低材料韌性,導致人們熟知的強度-韌性兩種之間的魚和熊掌效應。

  中國科學院力學研究所的科研團隊和南洋理工學院/布朗大學的科研人員發現在具有高密度納米析出相的金屬材料中,納米析出相在作為可持續的位錯源(如圖所示),可提升高應力狀態下的材料的變形能力,實現這類材料的強-韌協同優化。該工作近期在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上發表(Doi:10.1073/pnas.1914615117)。

  論文中,該小組揭示高應力下的納米析出相作為位錯源這一新機制(見圖)。結合析出相的傳統硬化功能,這一機制強度和韌性的雙重機制可以實現高密度析出相合金在強度和韌性上的綜合優異性能。同時他們也給出了納米析出形成位錯源的影響因素,它依賴于析出相和基底材料的晶格失配。

  綜合考慮納米析出相的硬化效應和它作為位錯源的機制,該團隊提出可通過析出相材料中的兩個關鍵尺度,析出相大小及析出相之間的距離(或者析出相密度),來實現材料強度-韌性的最優化匹配設計。通過理論分析,他們給出了材料設計過程中這兩個尺度的相互關系。這一方面的研究將有助于形成高密度析出相合金材料的強韌化優化設計基礎。

  該科研工作獲得國家基金委 (基金號:11988102,11425211)、中科院先導專項以及卓越中心的支持。論文的第一作者為來自力學所的博士彭神佑,他目前在湖南大學擔任助理教授。

微信號:ayiwangapp17

(來源: 中國科學院科技產業網 )

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