卢柯院士&李秀艳研究员最新Science!

一、【导读】

蠕变是固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。材料会因蠕变而发生塑性变形，蠕变在较高温度下会被放大，这也是高温下大量部件失效的主要原因，每年为此维修和更换先进设备中的部件花费数十亿美元。避免蠕变通常需要制作大型合金单晶，这既昂贵又耗时。材料中的晶界（GBs）通常有利于蠕变的扩散过程，因此目前认为消除GBs是抵抗金属高温蠕变的主要方法。

二、【成果掠影】

受到关于金属中GB弛豫的研究的启发，中国科学院金属研究所卢柯院士和李秀艳研究员团队认为，与消除GBs的传统认知相反，建议引入大量的GB，以在金属中形成稳定的GB网络，通过同时抑制原子扩散和高温硬化来抑制蠕变。作者以单相镍钴铬（NiCoCr，MP35N）合金为例进行了实验研究，发现在具有稳定GB网络的纳米晶粒合金中，扩散蠕变过程被有效抑制。研究获得了前所未有的抗蠕变特性，在700°C（~61%熔点）和每Gpa下的蠕变率为~10^-7·s^-1，优于传统高温合金。相关研究成果以题为“Inhibiting creep in nanograined alloys with stable grain boundary networks”发表在知名期刊Science上。

三、【图文导读】

图一、具有稳定GBs的纳米晶NiCoCr合金的结构 © 2022 AAAS

图二、热稳定性和温度依赖性 © 2022 AAAS

图三、压痕蠕变响应及机制研究 © 2022 AAAS

图四、700℃下各种合金的抗蠕变性能 © 2022 AAAS

四、【前景展望】

在过去的几十年里，已经开发了各种技术来在纳米结构材料中引入高密度的GBs。通过不同的物理和化学方法稳定GBs已经在广泛的金属和合金中得到证实。本研究结果表明，纳米颗粒合金中稳定的GB网络能够同时提高热稳定性、高温强度和高温抗蠕变性。这样的性能提升与传统的策略有根本的不同。因此，使用稳定的GB网络为设计具有高性能的先进稳定的合金，特别是高温应用的合金，提供了一个可行的范式。

文献链接：Inhibiting creep in nanograined alloys with stable grain boundary networks (Science 2022, 378, 659-663)