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北科大吕昭平又发《Nature》!同时提高强度和塑性

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北京科技大学新金属材料国家重点实验室吕昭平教授团队打破人们对传统间隙固溶强化的认知,发现间隙原子的添加不仅能提高合金的强度,也能大幅度提高合金的塑性,并提出了一种设计高强度高塑性金属材料的新的合金设计思路。国际顶级学术期刊《Nature》11月14日在线发表了吕昭平教授团队继去年超高强钢后又一突破性研究进展。

论文链接:

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

金属材料作为航空航天、交通运输、国防装备等国民经济重要领域的骨干材料,其制造加工过程中不可避免的引入杂质,尤其是无处不在的氧。一旦过量的氧掺杂,脆性的氧化物陶瓷相将会大幅度恶化金属材料的力学性能,最终导致其灾难性的脆性断裂。因而,金属的熔炼加工过程中总是尽量避免氧掺杂导致的脆性氧化物相的产生。

氧在合金中另外一种存在状态是以间隙原子的形式存在。在已报道的传统金属及合金中,间隙原子的添加虽可以显著提高合金的强度,但同时也带来塑性和韧性的大幅度降低。这主要是由于间隙原子易于偏聚于晶界、裂纹尖端、位错及其它内部应力源,并导致该区域基体的显著畸变及应力集中,促使局部原子键合的破坏和高度集中的局部塑性变形,最终还会导致灾难性的脆性断裂。

吕昭平教授团队以等原子比TiZrHfNb高熵合金为模型合金,添加适量的氧,发现间隙原子在合金中存在另外一种尚未被人们所发现的新的存在状态,并将其命名为有序间隙原子复合体(ordered interstitial complexes),这是一种介于常规随机间隙原子和陶瓷相之间的新的间隙原子存在状态。这一有序间隙原子复合体结构能够显著提高合金的强度和塑性,打破了金属材料强度和塑性不可兼得的魔咒,为科研工作者重新认识间隙强化和有序强化并设计出高强度高韧性金属材料提供了新思路。

基体合金、N-2合金及O-2合金的力学性能

基体合金、N-2合金及O-2合金的微观组织

吕昭平教授团队所提出的有序间隙原子复合体应变硬化机制并未涉及到合金的相变或孪晶变形,是一种全新的合金强韧化手段。这一合金强韧化手段为难以通过调节层错能或调控相变实现强韧化的合金体系提供了一种同时提高强度和塑性的新途径。需要指出的是,虽然文章中研究的合金体系为高熵合金,但这一异常间隙强韧化效应却并不只限于高熵合金,在传统的合金中也同样适用。例如,在钛合金中吕昭平教授团队也同样发现了这一现象。同时,文章中虽只报道了间隙氧原子能够同时提高金属材料的强度和塑性,然而,选择合适的合金体系或制备工艺,其它间隙原子也同样具有类似的强韧化效果。这就说明,这一同时提高合金强度和塑性的有序间隙原子复合体具有普适性,能够广泛的应用于设计各种高强度高塑性金属材料。

合金微观变形机理研究

2017年4月10日,《Nature》在线发布了北京科技大学吕昭平教授作为通讯作者的一篇论文《Ultrastrong steel via minimal lattice misfit and high-density nanoprecipitation》,该文基于晶格错配和高密度纳米析出的理念,设计并制备出超高强马氏体时效钢,强度最高达2.2GPa,还具有很好的塑性(大约8.2%)。而且由于采用廉价质轻的Al等元素代替高成本的Co、Ti等合金元素,还能大幅度削减成本。链接:《Nature》北科大研制出2.2GPa超高强钢!塑性良好,大幅削减成本。

参考来源: 新金属材料国家重点实验室

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