由來自美國Lawrence Berkeley 國際能源實驗室部門(Berkeley 實驗室)的科學(xué)家，帶領(lǐng)一隊研究人員對幾種結(jié)構(gòu)機制進行了確認(rèn)。這些結(jié)構(gòu)機制能夠制造出新型的具有親冷性的金屬合金，并且能進入有史以來堅韌度最高的金屬合金之列。此合金由鉻、錳、鐵、鈷、鎳合成，因此科學(xué)家稱之為CrMnFeCoNi。
就在此時，這個極寒的冬季：由來自美國Lawrence?Berkeley?國際能源實驗室部門(Berkeley?實驗室)的科學(xué)家，帶領(lǐng)一隊研究人員對幾種結(jié)構(gòu)機制進行了確認(rèn)。這些結(jié)構(gòu)機制能夠制造出新型的具有親冷性的金屬合金，并且能進入有史以來堅韌度最高的金屬合金之列。此合金由鉻、錳、鐵、鈷、鎳合成，因此科學(xué)家稱之為CrMnFeCoNi。在室溫下，它表現(xiàn)出極強的堅韌性，同時展現(xiàn)出良好的延展性、抗拉強度和耐折性。與其他大多數(shù)材料不同的是，此種合金越是在寒冷的條件下就會變得越堅韌及結(jié)實，由此可以欣然推斷此合金在低溫條件下的應(yīng)用，如，作為儲存液化天然氣罐子的制作材料。
為了研究其中奧秘，Berkeley?實驗室團隊利用透射電子顯微鏡觀察材料受到拉拽時的狀態(tài)。科學(xué)家們觀察到了合金中納米級的結(jié)構(gòu)機制，即逐個集成抗損壞傳播的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)之間是通過橋進行連接，而橋是通過形成裂紋的方式來抑制破損傳播。此種裂紋橋的結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料和陶瓷材料的中常見的增韌結(jié)構(gòu)機制，但并不常見于強化金屬。
此項發(fā)現(xiàn)將引領(lǐng)未來金屬材料的研發(fā)方向，即研發(fā)具有超級抗損特性的金屬。此項研究被刊登在2015年12月9日的Nature?Communications雜志中。
據(jù)Robert?Ritchie敘述，“在我們研究合金的初期就發(fā)現(xiàn)了其驚人的特性：高韌性和高強度，通常一種材料不會同時具備這兩種特性。”?Robert?Ritchie是Berkeley實驗室材料科技組的科學(xué)家，負(fù)責(zé)指導(dǎo)浙江大學(xué)錢宇及數(shù)位科學(xué)家進行此項目的研究。
Ritchie表示“因此在此次研究中，我們使用TEM方研究合金的納米級結(jié)構(gòu)?！?/span>
在材料科學(xué)中，韌性指的是材料抗折損的能力，強度指的是材料抗變形的能力。因此同時具備高韌性和高強度兩種特性的材料是非常罕見的，而CrMnFeCoNi又是經(jīng)過精心篩選的。?他是一顆新星，從十年前開始進行五種或更多元素合金開發(fā)里的一顆新星。相比之下，大多數(shù)傳統(tǒng)合金只有一種主導(dǎo)元素。這些新的多組分合金叫做高熵合金，因為他們是通過簡單的固溶方式結(jié)合而成的，因此屬于高熵混合體。
在材料研究領(lǐng)域中，這是個熱門話題并在近期成為具有研究價值的材料。2014年，Ritchie和其同事觀察到在極低的溫度下，當(dāng)CrMnFeCoNi發(fā)生變形時，產(chǎn)生了一種叫做“孿生”的現(xiàn)象，即相鄰的結(jié)晶區(qū)域形成了鏡像排列。孿生現(xiàn)象似乎是合金具有高韌性和強度的根源所在。但是，科學(xué)家并沒有在室溫下觀察到孿生現(xiàn)象（除了在裂紋橋結(jié)構(gòu)里），因此合金的高韌性和高強度并存的現(xiàn)象仍是一個謎。
Ritchie提出“如果我們在室溫下觀察不到孿生現(xiàn)象，那么究竟是什么結(jié)構(gòu)使其具有如此驚人的特性呢？”
為了找出其中的奧秘，科學(xué)家提出在室溫下利用透射電子顯微鏡觀察對合金進行拉拽的實驗。
在延時圖像中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了兩種有關(guān)剪應(yīng)力的現(xiàn)象：極好的延遲變位性使材料具有高強度，部分快速變位性增強了合金的延展性。同時他們觀察到了一種部分變位的現(xiàn)象，叫做“三維堆垛錯層缺陷”，即原子的三維排列成區(qū)域變化。這些缺陷是阻礙變位的原因，就好像在形成的裂隙前堆放一些石磚，因此增加了合金的強度。
同時，通過捕捉到的納米級圖像，科學(xué)家們觀察到好像咀嚼滿嘴的太妃糖時，牙齒被粘到一起一樣的現(xiàn)象：在某些情況下，結(jié)構(gòu)鏈接橋受到孿生現(xiàn)象影響，產(chǎn)生了變形導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)，從而阻礙裂紋擴大。
“這些結(jié)構(gòu)鏈接橋在加固陶瓷和復(fù)合材料中是常見的?！?Ritchie解釋道。?“我們的研究人員發(fā)現(xiàn)，在所有納米結(jié)構(gòu)的共同作用下，賦予了合金的韌性和強度共存的特性?！?/span>
此研究由能源部科學(xué)辦公室資助。
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