由香港城市大學(CityU)領(lǐng)導的一個研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種新的策略來開發(fā)新的高強度合金，這種合金非常堅固，而且具有延展性和柔韌性。該戰(zhàn)略克服了強度 - 延展性權(quán)衡困境的關(guān)鍵問題，為未來開發(fā)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)材料鋪平了道路。

多主元素合金，通常稱為高熵合金(HEAs)，是一種新型材料，由相同或接近等量的五種或更多種金屬構(gòu)成。它們目前是材料科學和工程中關(guān)注的焦點，因為它們具有結(jié)構(gòu)應用的潛在所需特性。然而，大多數(shù)合金具有相同的關(guān)鍵有害特征：合金的強度越高，延展性和韌性越小，這意味著強合金往往不易變形或可拉伸而不會斷裂。

然而，最近，由城大的材料科學與工程系大學杰出教授Liu Chain Tsuan教授領(lǐng)導的研究已經(jīng)找到了一個突破性的解決方案，解決了這個令人畏懼的長達數(shù)十年的困境 - 通過使高熵合金強大和而且通過納米級顆粒的大量沉淀也非常具有延展性。這項研究剛剛發(fā)表在最新一期的“ 科學 ” 雜志上，題為“多組分金屬間納米粒子和復雜合金的優(yōu)良機械性能”。

解決強度 - 延性權(quán)衡問題

“我們能夠生產(chǎn)一種名為Al 7 Ti 7((FeCoNi)86 -Al 7 Ti 7)的新型高熵合金，其強度高達1.5千兆帕，在室溫下的拉伸強度高達50%。納米粒子，這種新合金的強度是鐵 - 鈷 - 鎳(FeCoNi)基合金的五倍，“劉教授說。

“大多數(shù)傳統(tǒng)合金含有一種或兩種主要元素，如制造鎳和鐵，”他解釋道。“然而，通過添加鋁和鈦的其他元素在FeCoNi基合金中形成大量沉淀物，我們發(fā)現(xiàn)強度和延展性都得到了顯著提高，解決了結(jié)構(gòu)材料的權(quán)衡困境的關(guān)鍵問題。”

此外，高強度合金通常面臨塑性變形不穩(wěn)定性，稱為頸縮問題，這意味著當合金處于高強度時，其變形將變得不穩(wěn)定并且非常容易導致頸縮斷裂(局部變形)，非常有限的均勻伸長率。但該團隊進一步發(fā)現(xiàn)，通過添加“多組分金屬間納米粒子”，意味著由不同元素原子制成的復雜納米粒子，它可以通過改善變形不穩(wěn)定性來大大增強合金。

解決“縮頸問題”

他們已經(jīng)找到了這些復雜納米粒子的理想配方，這些納米粒子由鎳，鈷，鐵，鈦和鋁原子組成。劉教授解釋說，每個納米粒子只測量30到50納米。替代一些鎳組分的鐵和鈷原子有助于降低價電子密度并改善新合金的延展性。另一方面，用鈦代替一些鋁大大降低了空氣中水分的影響，以避免在這種新的強合金中引起脆化。

“這項研究為開發(fā)高溫合金開辟了一項新的設計策略，通過設計多組分納米粒子來強化復合合金，以在室溫和高溫下實現(xiàn)卓越的機械性能，”劉教授說。

他認為，采用這種新策略開發(fā)的新合金在-200°C至1000°C的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)良好。因此，它們可以作為進一步發(fā)展低溫裝置，飛機和航空系統(tǒng)及其他系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用途的良好基礎。