用沉淀物加强的结构合金

能源部的科学家橡树岭国家实验室和田纳西大学，诺克斯维尔，通过将微小的沉淀物引入其基质并调整它们的尺寸和间距来同时增加合金的强度和延展性的方法。沉淀物是与合金冷却一样与金属混合物分开的固体。结果，发表于期刊自然那可以打开途径，以推进制造业的结构材料。

延展性是一种衡量材料经历永久变形而不会破裂的能力的衡量标准。它决定了一种材料在压裂之前可以伸长多少材料，以及这种压裂是否是优雅或灾难性的。强度和延展性越高，材料更加艰难。

“长长的结构材料长期以来一直是，你如何同时增强力量和延展性？”Seao George表示，研究和州长的首席研究员和奥诺伊州的先进合金理论和开发的主席。“击败力量 - 延展性折磨将实现新一代轻型，强大，耐损害材料。”

奥诺的联合主体调查员ying yang构思和引领了自然学习。通过计算热力学模拟，她设计和定制的模型合金，具有特殊能力，该合金能力从面朝中心的立方体或FCC到身体为中心的立方体或BCC，晶体结构，由变化驱动温度或压力。

“我们将纳米尺寸放入可转化的矩阵，并仔细控制其属性，反过来是控制的矩阵变换的时间和方式，”杨说。“在这种材料中，我们故意诱导矩阵以使能力进行相变。”

该合金含有四种主要元素 - 铁，镍，铝和钛 - 形成基质和沉淀物，以及三个次要的元素 - 碳，锆和硼 - 限制颗粒的尺寸，单个金属晶体。

研究人员仔细地将基质的组成和不同样品中的纳米沉淀物的总量保持相同。然而，它们通过调节加工温度和时间来改变沉淀尺寸和间距。为了比较，还制备并测试了没有沉淀物而没有沉淀物但具有与含沉淀物合金基质相同的组合物的参考合金。

“材料的强度通常取决于沉淀物彼此的近距离，”乔治说。“当你制造几纳米[亿米]的尺寸时，它们可以非常紧密地间隔。它们越紧密，材料越强。“

虽然纳米尺寸在常规合金中可以使它们超强，但它们也使合金非常脆弱。该团队的合金避免了这种脆性，因为沉淀物执行第二种有用功能：通过在空间限制基质中，它们防止其在热淬火期间转化，在将合金冷却到室温的水中的快速浸入水中。因此，矩阵保持在亚稳态FCC状态。当合金被拉伸（“紧张”）时，它逐渐从亚稳态FCC转换为稳定的BCC。在应变期间的这种相变增加强度，同时保持足够的延展性。相反，在没有沉淀物的情况下，合金在热骤冷期间完全转化为稳定的FCC，这妨碍了在紧张期间进一步的转化。结果，与沉淀物的合金均较弱，更脆。在一起，常规沉淀强化和变形诱导的转化的互补机制增加了20％-90％，伸长量增加了300％。

“添加沉淀物以阻挡脱位，使材料超强是众所周知的，”乔治说。“这里的新是新的，调整这些沉淀物的间距也会影响相变倾向，这允许根据需要激活多种变形机制以增强延展性。”

该研究还揭示了纳米沉淀物正常强化作用的令人惊讶的逆转：具有粗糙，广泛间隔沉淀物的合金比相同的合金较强，具有细小的间隔沉淀物。当纳米尺寸变得如此微小并且紧密地填充时，这种逆转发生在材料中基本上在材料的紧张期间基本上关闭，而不是在热淬火期间抑制的变换。

本研究依赖于ORNL在ORNL的DOE办公室执行互补技术，以表征纳米尺寸和变形机制。在纳贝材料科学中心，原子探测断层扫描显示沉淀物的尺寸，分布和化学成分，而透射电子显微镜暴露的局部区域的原子细节。在高通量同位素反应器中，小角度散射量化了细沉淀物的分布。并且在初始中子源，中子衍射在不同水平的菌株后探测相变。

“这项研究介绍了一种新的结构合金家族，”杨说。“可以精确地定制沉淀特性和合金化学，以确切地在需要时激活变形机制，以挫败强度 - 延展性折衷。”

接下来，该团队将研究额外的因素和变形机制，以确定可以进一步提高机械性能的组合。

事实证明，有很多改进的空间。“今天的结构材料实现了一小部分 - 也许只有10％ - 他们理论上能力的优势，”乔治说。“想象一下，在汽车或飞机中可以节省的重量节省 - 随后的节能 - 如果这种强度可以加倍或增加，同时保持足够的延展性。”

- 由Chris Vavra，Web Content Manager编辑，控制工程，CFE媒体和技术，cvavra@cfemedia.com.。