{首页主词},&

Nature：抗蠕變又有強度的納米晶合金誕生啦

2016-10-14 12:26:03 作者：本網(wǎng)整理來源：網(wǎng)絡(luò) 分享至：

納米晶材料，由于晶粒的尺寸大大減?。ㄐ∮?00 nm），其室溫下的力學(xué)強度大大提高（依據(jù)Hall-Petch公式）。然而，伴隨著晶粒尺寸變小，抗蠕變性能卻有所下降，應(yīng)力條件下引起蠕變變形的臨界溫度也會大大降低。納米材料抗蠕變性能的退化，可以解釋為晶粒減小帶來的晶胞邊界增多，導(dǎo)致納米金屬材料的微觀不穩(wěn)定性，晶粒間更容易發(fā)生擴(kuò)散蠕變，滑動和旋轉(zhuǎn)。這一點限制了納米晶體材料的應(yīng)用范圍，尤其是在高溫領(lǐng)域中的應(yīng)用。

近日，美國陸軍研究實驗室的K. A. Darling和亞利桑那州立大學(xué)K. N. Solanki等人在Nature上報道了一種新型銅鉭合金（Cu-10 at% Ta），這種納米晶合金材料既能保持高機械強度，又滿足高溫抗蠕變性能，同時具有熱穩(wěn)定性。（Extreme creep resistance in a microstructurally stable nanocrystalline alloy. Nature, 2016, 537, 378-381, DOI: 10.1038/nature19313）

先來看看作者的材料制備過程，簡單整理如下：

1）將制備的銅鉭納米晶粉末（Cu–10 at% Ta）在高能球磨機中低溫研磨4小時，球料比5:1，液氮控溫-196 °C。

2）通過等通道轉(zhuǎn)角擠壓法（equal-channel angular extrusion，ECAE）將粉末壓成合金塊，模具350 °C預(yù)熱，粉末700 °C預(yù)熱（Ar氣環(huán)境40 min）。制備得到的合金中銅晶粒的平均尺寸為50 ± 17.5 nm，鉭晶粒尺寸分布在3.18 ± 0.86 nm到32 ± 7.5 nm之間。

上述步驟需要在手套箱中進(jìn)行。

稍微解釋一下“等通道轉(zhuǎn)角擠壓法”，該方法上世紀(jì)80年代由前蘇聯(lián)的Segal等人提出，90年代因為被Valiev等人用于亞微米級晶粒尺寸的鋁合金制備而引起關(guān)注。過程如下圖所示，由于加工過程中不改變材料的橫截面面積和截面形狀，故只需較低的工作壓力，就可實現(xiàn)材料的反復(fù)定向、均勻剪切變形，制備亞微米級和納米級晶粒的合金材料。

再來看看該材料的抗蠕變性能。在0.5-0.64 Tm（melting temperature）溫度下，施加0.85%-1.2%的剪切模量，Cu-Ta納米合金表現(xiàn)出低于10-6s-1的穩(wěn)定蠕變速率，該速率比大部分納米晶金屬要低6-8個數(shù)量級。同時，通過對納米銅和納米銅鉭合金的計算，也驗證了這一結(jié)論。