香港城大Science：多组分金属间纳米粒子和复杂合金的优良力学行为

木文韬 6年前 (2018-11-23) 6561浏览

【引言】

具有千兆帕斯卡强度和大延展性的高性能材料非常适合提高工程可靠性和能源效率，以及减少材料生产中的CO₂排放。然而，由于强度和延展性的相互排斥关系，开发具有显著提高强度和延展性的先进材料是非常具有挑战性的。单相合金通常表现出良好的延展性，但强度相对较低。纳米孪晶和相变诱导马氏体的引入已经显示出它们能够共同增加强度。然而，从这些方法获得的屈服强度仍然是有限的，这通常不足以用于结构应用。第二相金属间化合物（IMCs）是提高合金强度的有效途径；然而，大多数具有原子有序结构的IMCs本质上是脆性的。通过引入高密度IMCs增加千兆帕斯卡强度必然会降低对断裂的抵抗力。高活性元素，如Ni₃Al金属间相中的Al，也会增加这些金属间化合物对潮湿环境脆化的敏感性，并进一步降低其拉伸延展性。此外，IMCs的微观结构不均匀性往往会引入局部应力-应变集中，并在负载下触发微裂纹。因此，塑性失稳的早期发生会导致这些材料的灾难性故障。

【成果简介】

今日，在香港城市大学刘锦川教授（通讯作者）团队的带领下，与香港理工大学、北京工业大学、中国科学院金属研究所和中南大学合作，在基于单主元合金系统的合金设计无法突破这一棘手的难题下（进一步优化合金化学和微观结构的能力有限），团队最近提出的多元素合金系统的冶金设计为缓解这些问题提供了一条有希望的途径。在这项研究中，团队开发了一种创新的设计策略，以消除千兆帕斯卡强度合金的延性损失。设计理念是在可控制地制造用于fcc型HEA系统中的相干强化的延性多组分金属间纳米粒子（MCINPs），通过控制有序-无序相变和元素分配，实现了MCINPs的纳米级沉淀的原位延展化。这种概念设计不仅能够充分发挥金属间纳米粒子的强化作用，而且能够保持较高的加工硬化率和塑性变形稳定性。因此，MCINP强化合金（MCINPS）具有出色的强度-延展性组合，而不会遇到早期局部缩颈和有限均匀延展性的常见问题。这种MCINP强化合金在环境温度下具有1.5千兆帕的优异强度和高达50％的延展性。相关成果以题为“Multicomponent intermetallic nanoparticles and superb mechanical behaviors of complex alloys”发表在了Science上。

【图文导读】

图1 MCINPS合金的概念设计和微观结构表征