金属材料前沿研究成果精选【第2期】|过渡金属

1、Acta Mater.: CrCoNi中等熵合金的动态剪切变形研究

高熵合金和中等熵合金是一种具有简单晶体结构的固溶体，并且多元素的随机分布可以减少用于形成堆垛层错的能量损失，从而导致低堆垛层错能。面心立方FeCrMnCoNi 高熵合金和fcc CrCoNi中等熵合金的力学性能在低温下比室温下更好，同时由于形变机制从位错滑移到形变孪晶的转变，强度，延展性和断裂韧性同时增强。近日，中科院力学研究所的W. A. Curtin(通讯作者)等人通过用各种不均匀的微观结构来制造单相CrCoNi中等熵合金(MEA)，将其冷轧后在各种温度下退火，并在霍普金森杆实验中，用帽形样本表征MEA的高应变率响应。研究结果表明，样品的高动态剪切屈服强度和均匀动态剪切应变的组合，超过了目前报道的所有其他金属和合金。

文献链接： Dynamic shear deformation of a CrCoNi medium-entropy alloy with heterogeneous grain structuress (Acta Mater., 2018, DOI: 10.1016/j.actamat.2018.02.016）

2、Acta Mater.: 梯度结构镍基合金的力学行为

细晶粒材料通常具有较高的机械强度，通过严格塑性变形（SPD）细化晶粒的方法已经被广泛研究。然而，由SPD技术制造的这些超细晶粒（UFG）和纳米晶（NC）材料通常具有有限的拉伸延展性，阻碍其在生产生活中的应用，而塑性的缺乏可归因于纳米晶粒中不存在应变硬化能力。近日，美国普渡大学的X. Zhang (通讯作者)等人报通过表面机械研磨处理来加工基于NiCrMo的C-22HS合金，以实现由表面纳米层，变形孪晶层和严重变形层组成的梯度结构。此外，作者还通过扫描电子显微镜观察经原位微柱压缩测试的试样，从而揭示各层的不同力学行为。 这项研究表明，晶粒间回应力的增加可能导致了梯度结构材料的高应变硬化行为。

文献链接：Mechanical behavior of structurally gradient nickel alloy (Acta Mater., 2018, DOI: 10.1016/j.actamat.2018.02.021）

3、Acta Mater.: 镍基高温合金凝固过程中微观组织和织构组织的变形机理

IN713C是国际镍公司在20世纪50年代开发的γ'沉淀硬化铸造镍基高温合金，由于其良好的铸造性，合适的机械性能和高温下的微观结构稳定性，该合金现在仍然大量使用。然而，由于微观结构的不均匀性，可能会引起应变分布不均匀性和局部变形，并且最终影响合金在服役期间的延伸的性能和力学性能。近日，英国斯旺西大学的S. Birosca (通讯作者)等人通过熔模铸造法制备镍基高温合金IN713C，在600℃下进行了低周疲劳(LCF)和高周疲劳(HCF)实验，模拟了涡轮增压器中涡轮机轮的实际疲劳状况。研究结果表明，微观结构不均匀性如碳化物和析出物在树枝状结构网络中的分布决定了LCF测试过程中的断裂微观机制。

文献链接: The effects of microstructure and microtexture generated during solidification on deformation micromechanism in IN713C nickel-based superalloy (Acta Mater., 2018, DOI: 10.1016/j.actamat.2018.01.062）

4、Acta Mater.：铁电体中缺陷介导涡旋的增殖和湮没

由于介电，压电，热电和铁电性等多种功能性以及纳米级畴结构的形成，铁电材料正受到越来越多的关注。它有希望利用这些特性来制造先进的功能电子，光电子和机电一体化设备。特别是控制铁电涡旋手性的可能性为开发新型纳米级存储器和逻辑器件开辟了新途径。然而，由于偶极环向磁矩与E的卷曲共轭不是均匀电场，因此对铁电涡旋的手性的实际控制相当具有挑战性。中山大学的王彪教授(通讯作者)等人运用相场模拟，证明通过缺陷工程可以在铁电纳米片中实现旋涡手性的机械开关。作者系统地揭示了温度，纳米片形状，空隙大小以及空位对缺陷介导涡旋转换行为的影响。这项研究证明了通过机械负载进行涡流切换的可行性，并为控制和开发基于铁酸漩涡的机电装置提供了一条新途径。

文献链接：Defect-mediated vortex multiplication and annihilation in ferroelectrics and the feasibility of vortex switching by stress (Acta Mater., 2018, DOI: 10.1016/j.actamat.2018.01.018）

5、Phys. Rev. Lett.：在地核热力学条件下制备Xe-Fe金属间化合物

金属间化合物是过渡族金属元素之间形成一系列金属间化合物，即是指金属与金属、金属与准金属形成的化合物。金属间化合物由于具有优于高温合金的耐热性、高的比强度、高的比寿命、高的导热性和高的抗氧化性，以及具有优于陶瓷材料的韧性和良好的热加工性而受到广泛关注，尤其受到航空部门的青睐。近日，美国劳伦斯·利弗摩尔国家实验室的Elissaios Stavrou (通讯作者)等人通过原位同步辐射X射线衍射和拉曼光谱辅助于第一原理计算，证实了Xe-Fe金属间化合物可以在地球核心的热力学条件下被合成。结果表明，在极端条件下，通过记录在环境压力下的正电性元素可以获得电子并形成阴离子，元素的化学性质也发生变化。

文献链接：Synthesis of Xenon and Iron-Nickel Intermetallic Compounds at Earth’s Core Thermodynamic Conditions (Phys. Rev. Lett. , 2018, DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.096001）

6、Phys. Rev. Lett.：可逆相变在准同型相界强压电性能中的作用

现代功能材料如压电，铁磁体，铁电体和铁合金，经常在相界处对外界刺激显示出非凡的响应，在这样的材料中，外部刺激驱动的可逆相变被认为与它们的非凡特性直接相关。例如，优异的形状恢复特性，巨大的磁致伸缩和巨大的磁热效应伴随着磁场或温度场驱动的相变。北京科技大学陈骏教授（通讯作者）等人通过实验揭示了现场驱动可逆相变在实现增强机电性能中的重要作用，使用原位高能同步加速器X射线衍射结合2D几何散射技术，建立了与压电相关的微观结构演化模型。此外，相场建模揭示了极化对准和压电响应可以通过电场驱动的相变显著增强。本项提出的机制将有助于设计和优化新的压电材料，铁磁体或其他相关的功能材料。

文献链接：Role of Reversible Phase Transformation for Strong Piezoelectric Performance at the Morphotropic Phase Boundary (Phys. Rev. Lett.,2018,DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.055501)

7、Phys. Rev. Lett.：单层半导体中激子里德伯态的磁光光学

原子级薄层过渡金属二硫族化合物（TMD）半导体如单层MoS2和WSe2的兴起，很大程度上源自其直接光学带隙和非常强的光物质耦合。在掺杂或高度激发的单分子层中，由于带电激子或多重态可以在光谱中发展出明显的共振。近日，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的A. V. Stier（通讯作者）等人告了原子级单层半导体WSe₂中激子里德堡态的65 T磁吸收光谱。激发态中性激子的强场依赖性和明显的能量变化使得它们明确的识别并可以和主要理论模型进行定量比较。

文献链接：Magnetooptics of Exciton Rydberg States in a Monolayer Semiconductor (Phys. Rev. Lett. , 2018, DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.096001）

8、Phys. Rev. Lett.：缺口型手性费米子体系中激子的光学选择规律能

人们对半导体光吸收的理解依赖于两个基本的近似值。第一种是有效质量近似，其中电子和空穴被认为是分别随着传导和价带的有效质量移动的两个粒子；第二个近似值是电偶极子近似。在这种近似中，带间光学跃迁通常根据组成布洛赫函数的原子轨道之间的跃迁来理解。总之，这两个近似产生了激子的光学选择规则。近日，美国卡耐基梅隆大学的Xiaoou Zhang（通讯作者）等人提出了两种能够承载类似S的激子的手性费米子体系来证明他们的理论：具有C4旋转对称性的拓扑结构绝缘体的缺口表面状态和偏置的3R堆叠MoS₂双层。在后者情况下，我们表明可以通过改变匝数通过使用门控来调节从明亮到黑暗的s样激子。因此，我们的理论为二维材料中光学过渡的电控制提供了一条新途径。

文献链接：Optical Selection Rule of Excitons in Gapped Chiral Fermion Systems (Phys. Rev. Lett. , 2018, DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.077401）

9、Phys. Rev. Lett.：YBa₂Cu₃O_7−δ的电荷顺序和超导电性

铜酸盐高居里温度(Tc)超导体具有丰富的相图，并且欠掺杂区域特别复杂，具有几个不同的相。阐明这些相的微观起源及其与超导性的关系仍然是非常重要的。对于空穴掺杂np <0.18且低于特征温度T *的情况，出现一个新相，其特征在于接近费米能级的状态密度降低。最近，英国布里斯托大学的Carsten Putzke（通讯作者）等人通过测量高磁场和高静水压下霍尔系数RH（T）的温度依赖性来研究未掺杂的YBa₂Cu₃O_7-δ中电荷顺序与超导电性之间的相互作用。研究结构表明，压力为2.6GPa时将Tc提高了10K，但对RH（T）的影响很小。

文献链接：Charge Order and Superconductivity in Underdoped YBa2Cu3O7−δ under Pressure (Phys. Rev. Lett.,2018,DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.117002)

10、Phys. Rev. Lett.：镤、锕系和过渡金属化学研究

由于它们的5f电子，早期锕系元素表现出化学行为，这种化学行为在基于扩散和定向d轨道的过渡金属化学以及4f镧系元素中的大部分局部化和静电键合相互作用中处于中间。Pa被认为是一种研究早期锕系元素在5f和6d轨道参与其化学过程中的周期性元素，能够影响它们的结构和结合。近日，美国阿贡国家实验室的Richard E. Wilson和法国里尔第一大学的Valérie Vallet（共同通讯作者）等人报道了Pa-peroxozu簇用于合成锕系金属酸盐。在密度泛函理论水平上的量子化学计算表明，在Pa的化学过程中，有着5f和6d的轨道参与，并且较重的锕系元素会增加5f轨道参与程度。轨道特征的周期性变化与早期锕系元素中键的关系突出了5f轨道在其反应性和化学结构上的影响。

文献链接：Protactinium and the intersection of actinide and transition metal chemistry (Phys. Rev. Lett.,2018,DOI: 10.1038/s41467-018-02972-z)

本文由材料人编辑部金属学术组jcfxs01供稿，材料牛编辑整理。

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