2014年09月06日 星期六
“高熵合金”越是低温越坚韧
在77K温度下,背散射电子成像显示,断裂错位作用形成的晶格结构导致了变形,由此引起纳米结对现象。

    科技日报讯 (记者常丽君)一种名为“高熵合金”的新概念合金设计,已经带来了一类多元素材料。最近,美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室与橡树岭国家实验室(ORNL)合作开发出一种叫做铬锰铁钴镍(CrMnFeCoNi)的高熵合金,经检测它不仅是现有记录的最硬材料之一,而且在低温下强度、延展性反而提高。相关论文发表在最近出版的《科学》杂志上。

    虽然高熵合金出现已有十多年,但直到最近它们的品质才可用于科学研究。据物理学家组织网9月5日(北京时间)报道,橡树岭国家实验室伊索·乔治研究小组把高纯元素初始材料用电弧熔融,结合浇铸工艺造出了高质量的铬锰铁钴镍合金,样本为层状结构,厚约10毫米。他们检验了样本的延展性和微观结构后,把样本送到伯克利实验室材料科学分部材料科学家罗伯特·里奇那里进一步检测。

    “我们对铬锰铁钴镍合金进行了检测,它含有5种主元素而不是一种。”里奇说,“虽然各元素单独的晶体结构不同,但合金晶体只有一种相态。具有卓越的抗损伤能力,抗伸展强度超过10亿帕,断裂韧度值打破记录,超过目前所有其他金属合金。”

    他们从室温降到77K(约-196.15℃,液氮的温度)温度,检测了铬锰铁钴镍合金的伸展强度和断裂韧度值,属于现有材料记录中最高值范围,而且在低温下,这些值性还会增加。绝大多数合金在低温下都会失去延展性,变得更脆而易碎。

    传统合金制造方法的一个不变特征是,一种元素作主成分,其余为少量添加,其机械性能通常依靠出现第二种相态。“高熵合金从根本上违反了传统方法,它的性质并非来自合金中的每种成分或第二种相态。”里奇说,“高熵这一概念意味着,随着合金成分元素的增加,其位形熵也增加,也就抵消了它们形成化合物,变成单相态材料(如纯金属)的趋势。”

    里奇和乔治认为,铬锰铁钴镍合金能在低温下表现出非凡的强度、延展性和硬度,关键在于一种“纳米结对”效应,也就是在变形过程中,相邻晶格区的原子排列彼此形成镜像结构。里奇说:“这表明它除了具有大部分金属在环境温度下具有的平滑错位机制,还有一种塑性机制。在低温下,材料经受了塑性变形产生了纳米结对,结果就是连续的机械硬化,以此来遏制早期破坏造成的局部变形。”

    里奇还指出,铬锰铁钴镍合金及其他高熵合金的机械性质尚未达到最优化,它们可能还有更好的性质。“由于高熵合金是单一相态,我们推测它们用在低温下可能非常理想,比如存储液化天然气、氢气和氧气。”

    总编辑圈点

    传统经验认为,当组成合金的金属元素多了后,会形成脆性金属间化合物,从而让材料性能恶化。但顶着“高混乱度”之名的高熵合金,却是“反传统”的不羁分子,具备旧有合金所无法比拟的本事——高强、高硬、高热阻电阻、高耐磨耐腐等等。也因此,高熵合金的应用领域不拘一格,譬如模具焊接、船舶制造、电子通讯,甚至可以作为现在越盖越高的超级建筑的防火骨架。

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