北京科技大學(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室呂昭平教授團(tuán)隊(duì)打破人們對(duì)傳統(tǒng)間隙固溶強(qiáng)化的認(rèn)知，發(fā)現(xiàn)間隙原子的添加不僅能提高合金的強(qiáng)度，也能大幅度提高合金的塑性，并提出了一種設(shè)計(jì)高強(qiáng)度高塑性金屬材料的新的合金設(shè)計(jì)思路。國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Nature》11月14日在線發(fā)表了呂昭平教授團(tuán)隊(duì)繼去年超高強(qiáng)鋼后又一突破性研究進(jìn)展。

    論文鏈接：

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

    金屬材料作為航空航天、交通運(yùn)輸、國(guó)防裝備等國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要領(lǐng)域的骨干材料，其制造加工過(guò)程中不可避免的引入雜質(zhì)，尤其是無(wú)處不在的氧。一旦過(guò)量的氧摻雜，脆性的氧化物陶瓷相將會(huì)大幅度惡化金屬材料的力學(xué)性能，最終導(dǎo)致其災(zāi)難性的脆性斷裂。因而，金屬的熔煉加工過(guò)程中總是盡量避免氧摻雜導(dǎo)致的脆性氧化物相的產(chǎn)生。

    氧在合金中另外一種存在狀態(tài)是以間隙原子的形式存在。在已報(bào)道的傳統(tǒng)金屬及合金中，間隙原子的添加雖可以顯著提高合金的強(qiáng)度，但同時(shí)也帶來(lái)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(cuò)及其它內(nèi)部應(yīng)力源，并導(dǎo)致該區(qū)域基體的顯著畸變及應(yīng)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(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的脆性斷裂。

    呂昭平教授團(tuán)隊(duì)以等原子比TiZrHfNb高熵合金為模型合金，添加適量的氧，發(fā)現(xiàn)間隙原子在合金中存在另外一種尚未被人們所發(fā)現(xiàn)的新的存在狀態(tài)，并將其命名為有序間隙原子復(fù)合體（ordered interstitial complexes），這是一種介于常規(guī)隨機(jī)間隙原子和陶瓷相之間的新的間隙原子存在狀態(tài)。這一有序間隙原子復(fù)合體結(jié)構(gòu)能夠顯著提高合金的強(qiáng)度和塑性，打破了金屬材料強(qiáng)度和塑性不可兼得的魔咒，為科研工作者重新認(rèn)識(shí)間隙強(qiáng)化和有序強(qiáng)化并設(shè)計(jì)出高強(qiáng)度高韌性金屬材料提供了新思路。

基體合金、N-2合金及O-2合金的力學(xué)性能

基體合金、N-2合金及O-2合金的微觀組織

    呂昭平教授團(tuán)隊(duì)所提出的有序間隙原子復(fù)合體應(yīng)變硬化機(jī)制并未涉及到合金的相變或?qū)\晶變形，是一種全新的合金強(qiáng)韌化手段。這一合金強(qiáng)韌化手段為難以通過(guò)調(diào)節(jié)層錯(cuò)能或調(diào)控相變實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化的合金體系提供了一種同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的新途徑。需要指出的是，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(qiáng)韌化效應(yīng)卻并不只限于高熵合金，在傳統(tǒng)的合金中也同樣適用。例如，在鈦合金中呂昭平教授團(tuán)隊(duì)也同樣發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。同時(shí)，文章中雖只報(bào)道了間隙氧原子能夠同時(shí)提高金屬材料的強(qiáng)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(lèi)似的強(qiáng)韌化效果。這就說(shuō)明，這一同時(shí)提高合金強(qiáng)度和塑性的有序間隙原子復(fù)合體具有普適性，能夠廣泛的應(yīng)用于設(shè)計(jì)各種高強(qiáng)度高塑性金屬材料。

合金微觀變形機(jī)理研究

    2017年4月10日，《Nature》在線發(fā)布了北京科技大學(xué)呂昭平教授作為通訊作者的一篇論文《Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation》，該文基于晶格錯(cuò)配和高密度納米析出的理念，設(shè)計(jì)并制備出超高強(qiáng)馬氏體時(shí)效鋼，強(qiáng)度最高達(dá)2.2GPa，還具有很好的塑性（大約8.2%）。而且由于采用廉價(jià)質(zhì)輕的Al等元素代替高成本的Co、Ti等合金元素，還能大幅度削減成本。鏈接：《Nature》北科大研制出2.2GPa超高強(qiáng)鋼！塑性良好，大幅削減成本。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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