{首页主词},&

科學(xué)家利用高熵合金探究位錯雪崩助力高強(qiáng)材料的研發(fā)

2018-10-22 11:27:04 作者：本網(wǎng)整理來源：材料科技在線分享至：

機(jī)械結(jié)構(gòu)與制造它們的材料一樣是可靠的。幾十年來，研究人員一直在研究這些材料的結(jié)構(gòu)，以了解它們?yōu)楹我约叭绾问АＴ跒?zāi)難性的破壞之前，會有單個的裂紋或位錯形成，這是結(jié)構(gòu)可能被削弱的信號。雖然研究人員過去曾對個別位錯進(jìn)行過研究，但伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）、田納西大學(xué)（University of Tennessee）和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）的一個研究小組，已經(jīng)使人們能夠了解位錯是如何在納米尺度上組織和反應(yīng)的。

來自材料科學(xué)與工程教授以及伊利諾伊州Frederick Seitz材料研究實(shí)驗(yàn)室的附屬機(jī)構(gòu)的主要作者Jian-Mu Zuo，Ivan Racheff 說：“金屬由多晶體制成，晶體的原子排列有序。當(dāng)在這些金屬中施加力時，晶體會滑動并相互移動。像橋梁這樣的結(jié)構(gòu)可能會有很多位錯，可能會移動，但運(yùn)動量很小。由于數(shù)千或數(shù)萬個位錯在金屬內(nèi)纏結(jié)，并產(chǎn)生局部應(yīng)力。這種組織可能導(dǎo)致突然變形，如雪崩。這非常引人注目，更難以控制。”

該團(tuán)隊(duì)還包括伊利諾伊州濃縮物質(zhì)學(xué)家Karin Dahmen，他在通信物理學(xué)（“緩慢壓縮的高熵合金納米柱中的位錯雪崩機(jī)制”）中公布了其結(jié)果。實(shí)驗(yàn)工作由楊虎博士完成，作為博士論文的一部分。

這是高熵納米柱中的位錯雪崩。聚焦離子束用于制造納米柱（左）用于壓縮測試。透射電子顯微鏡用于在位錯雪崩期間對位錯堆積進(jìn)行成像（參見右側(cè)的D）（圖片來源：Frederick Seitz材料研究實(shí)驗(yàn)室）

在這項(xiàng)研究之前，研究人員無法理解結(jié)構(gòu)內(nèi)位錯雪崩背后的機(jī)制。然而，伊利諾伊州的研究小組發(fā)現(xiàn)，一系列的脫臼堆積形成一個大壩以阻止運(yùn)動。大壩后面是混亂的混亂。一旦有足夠的壓力，就會形成雪崩，導(dǎo)致大壩讓位并且纏結(jié)的位錯突然移動，這會削弱金屬并最終導(dǎo)致災(zāi)難性的失敗。通過更好地了解這一過程，本研究有望在未來幫助開發(fā)更強(qiáng)大的材料，并更好地預(yù)測何時結(jié)構(gòu)可能處于危險(xiǎn)之中。

為了研究像10-9米寬的串狀位錯，他們在高熵合金（HEA）的壓縮納米線中進(jìn)行了位錯雪崩的發(fā)展。HEA具有與銅或金相同的平均結(jié)構(gòu)。但是，原子排列的方式使研究人員能夠同時進(jìn)行測量，并將位錯運(yùn)動與機(jī)械響應(yīng)聯(lián)系起來，準(zhǔn)確地確定雪崩發(fā)生的位置。通過識別位錯帶，研究人員能夠觀察雪崩之前、期間和之后發(fā)生的情況。

Zuo 說：“人們已經(jīng)理解了個別的錯位是如何發(fā)生的，但直到現(xiàn)在他們還沒有理解他們突然一起移動的方式。我們的創(chuàng)新是使用一種新材料（HEA）來研究一個非常古老的問題并開發(fā)這種技術(shù)。”因?yàn)槲诲e通常以微米的距離構(gòu)成自己（想想之后的一塊冰裂縫網(wǎng)絡(luò)）在它上面行走時，通過在顯微鏡內(nèi)觀察它們很難確定單個事件，該顯微鏡僅適用于薄樣品（在透射電子顯微鏡內(nèi)，樣品厚度通常小于1微米）。

Zuo解釋道：“在傳統(tǒng)的金屬中，位錯與我們一次看到的相距太遠(yuǎn)，因此它們在表面上消失了。此外，變形金屬有一連串的位錯，但只有少數(shù)實(shí)際上是活躍的。”因此，一些學(xué)者評論說，當(dāng)人們看到金屬中的變形后，就像訪問一個錯位的墓地。“為了見證完整的單一雪崩，Zuo和他的團(tuán)隊(duì)需要找到一種材料，其中位錯以更小的尺度相互作用。 HEA是一種新型合金，由五種不同的金屬元素（Al0.1CoCrFeNi）組成。因?yàn)槊總€金屬原子具有不同的尺寸并且晶體是扭曲的，所以它減慢了位錯，使得可以在相對小的體積內(nèi)存儲許多位錯和雪崩。

伊利諾伊州的研究人員能夠通過一種稱為納米壓痕的技術(shù)來測量位錯。他們采用一塊HEA并使用離子束制造納米柱，并使用納米壓痕儀的小扁平金剛石尖端將力施加到納米柱上。

”這種材料使我們能夠看到納米尺度（500納米）的位錯，“左說，解釋這個過程。 ”我們有一個機(jī)械實(shí)驗(yàn)室對電子顯微鏡內(nèi)的測試樣品施加力。當(dāng)施加應(yīng)力時，樣品變形。當(dāng)應(yīng)力超過位錯移動納米柱內(nèi)所需的應(yīng)力時，位錯將成倍增加。脫位移動并遇到阻力，它們減速并纏結(jié)在一起形成一個錯位帶。如果你想到像水流一樣的壓力，那么錯位雪崩就像一個水壩破裂，水突然耗盡。便可對HEA進(jìn)行觀察。

該過程的結(jié)果是兩次測量 - 首先是機(jī)械測量，它允許研究人員研究移位所需的力以及移動的程度，其次是電子成像以捕獲視頻中的位錯運(yùn)動。以前沒有研究能夠?qū)㈦娮映上窈蜋C(jī)械力測量結(jié)合起來研究位錯雪崩。

Zou解釋說這項(xiàng)研究為錯位如何相互作用提供了一個關(guān)鍵的答案。“這種類型的測量可用于開發(fā)理論和計(jì)算模型，用于預(yù)測材料在特定壓力下的行為。這很重要，因?yàn)闉?zāi)難性的失敗始于這種突然變形，在發(fā)生災(zāi)難性失敗之前，我們將能夠更好地預(yù)測行動。這反過來又會導(dǎo)致更強(qiáng)大的材料的發(fā)展。

這項(xiàng)研究恰逢整個伊利諾伊州校園努力將HEA用于核反應(yīng)堆和高溫應(yīng)用。HEA在高溫下穩(wěn)定，可以承受很大的壓力，如果我們了解位錯結(jié)構(gòu)，它將有助于為非常具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用開發(fā)材料。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內(nèi)外最新動態(tài)，我們網(wǎng)站會不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：韓鑫

《中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事
投稿聯(lián)系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414