发现改善金属弯曲而不断裂的方法

材料科学与工程威斯康辛大学麦迪逊分校的研究人员已经证明，已经存在了近100年的金属弯曲规则并不是那么坚硬和快速。他们的惊人发现不仅颠覆了之前关于金属变形的概念，而且有助于指导制造更坚固、更耐用的材料。

“这为材料设计创造了新的机会，”威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程教授Izabela Szlufarska说。“它增加了另一个我们可以控制的参数，以提高强度和延展性。”

金属弯曲的能力称为延展性。大多数提高金属强度的方法都是以牺牲弹性为代价的。随着金属变得更耐弯曲，它们更有可能在压力下开裂。

然而，研究人员新的弯曲机制可能允许工程师在不冒断裂风险的情况下加固材料。

这一进步引起了美国陆军的特别兴趣，因为美国陆军迫切需要坚固耐用的材料，以保证部队在战区的安全。

美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室陆军研究室合成与加工项目经理Michael Bakas说:“Szlufarska教授开辟了一个全新的结构材料加工与设计探索领域。”“通过这一重大发现，兹卢法斯卡教授可能为新一代先进结构材料的开发奠定了技术基础，这些材料最终可能应用于未来的陆军装备和车辆。”

工程师通常通过冷加工或退火等技术来控制金属的强度，这些技术通过被称为位错的微小但重要的结构不规则来发挥作用。

“金属界的每个人都知道位错是至关重要的，”Szlufarska说。

这是自1934年以来一直存在的真理，当时三位研究人员独立地意识到，错位解释了一个古老的悖论:金属比它们的分子结构(通常以有规律地重复的三维网格形式出现)更容易弯曲。

位错是金属有序晶格中的微小不规则现象。它们产生于轻微的不匹配——把一本书的书页想象成一排排的原子，想象一下整齐的纸堆在有人插入书签的地方如何变得非常轻微的扭曲。

普通金属弯曲是因为位错能够移动，使材料变形而不会同时撕裂晶格内的每一个键。

强化技术通常限制脱位的运动。因此，当Szlufarska和同事们发现钐钴这种被称为金属间化合物的材料很容易弯曲时，人们感到相当震惊，即使它的位错被锁定在原地。

“人们认为，如果位错滑移很少发生，金属材料本质上就会很脆，”曾在Szlufarska实验室工作的科学家、目前在中国宁波工业技术研究所工作的罗湖斌(Hubin Luo)说。“然而，我们最近的研究表明，即使没有位错滑移，金属间化合物也可以发生显著的塑性变形。”

相反，弯曲的钐钴导致晶格内部形成窄带，其中分子呈自由形式的“无定形”结构，而不是金属其余部分的规则网格状结构。这些无定形带使金属弯曲。

“这几乎就像润滑剂一样，”兹卢法斯卡说。“我们在模拟中预测了这一点，我们也在变形研究和透射电镜实验中看到了非晶剪切带。”

计算模拟和实验研究的结合对于解释这一令人困惑的结果至关重要，这就是为什么Szlufarska和她的团队特别适合解开这个谜团。

“进行理论模拟来解释现有的实验结果通常更容易，”威斯康辛大学麦迪逊分校博士后学者张宏亮说。“在这里，我们首先从理论上预测了剪切带的存在及其在钐钴塑性中的作用;这些完全是令人惊讶的现象。然后我们用许多不同类型的实验证实了这些结果，以测试我们的理论，并确保预测的现象确实可以在自然界中观察到。”

研究人员计划寻找其他可能以这种特殊方式弯曲的材料。最终，他们希望利用这种现象来调整材料的强度和柔韧性。

“这可能会改变你寻找材料性能优化的方式，”Szlufarska说。“我们知道它是不同的，我们知道它是新的，我们认为我们可以利用它。”

威斯康星大学麦迪逊分校

www.uwm.edu

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