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美发现最高韧性合金 极寒中仍具超高性能

www.creaders.net | 2023-01-03 15:44:42  大纪元 | 0条评论 | 查看/发表评论

  随着人类探索太空和极端区域的需求增加,人们开始寻找那些能够在低温下使用的金属材料。美国的国家实验室发现一种由铬、钴和镍组成的合金,其能够在极度低温下保持极高韧性,是目前世界上韧性最高的合金。

美发现最高韧性合金 极寒中仍具超高性能

图为CrCoNi合金在20开尔文(-424 F)压力测试期间纳米级的断裂路径和伴随的晶体结构变形。裂缝从左向右扩展。

  美国的劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)和橡树岭国家实验室一同将这项实验成果写成论文,于2022年12月发表到《科学》杂志上。该项研究获得美国能源部科学办公室的支持。

  科学家研究由“铬、钴和镍(CrCoNi)”和“铬、锰、铁、钴和镍(CrMnFeCoNi)”进行等比例制作的合金金属,并测试他们的断裂韧性值,观测到“铬锰铁钴镍”和“铬钴镍”合金在零下253.15°C时的断裂韧性值,分别为262和459兆帕-平方根米(MPa·m½)。

  另外,经实验后发现,“铬钴镍”合金在2.25毫米的稳定裂开后,显示出超过540 MPa·m½的裂纹扩展韧性。以上这些数值代表着该合金拥有目前世界上最高的韧性。科学家还发现,这种金属在低温下的变形与高温下的变形结构,出现截然不同的结果。

  这种合金不仅拥有极高的延展性,也拥有极高的可塑性,同时又非常坚固(几乎拥有永久耐变形能力)。此外,该合金还有一项极特殊的性质,它的强度和延展性会随着温度降低而提高,这与世界上大多材料的性质相反。

  铬、钴和镍制成的合金,属于高熵合金(HEA)类型,这与其它一般合金不同。不同之处在于其它合金会由一种高比例的金属(例如,铁、金、银或铜等)和少量的其它元素或金属组成(例如,不锈钢、18K金等),但HEA类型的合金,是指由每种元素几乎以等比例进行混合制成。

  这些每种等量元素混合成的合金,似乎赋予材料在受压时具有非常高的“强度”和“延展性”组合成金属的“韧性”。

  他们发现这些合金在常温施压的情况下,并没有复杂的微观结构,但在极低温下施展压力时,微观的结构开始变得复杂。合金中的结晶会从圆型颗粒变成条状,并具有强烈的平面变形倾向,最终形成一堆纵横交错的变形带,因此推测这些改变让合金金属增强其韧性。

  伯克利实验室材料科学部高级教职科学家兼工程学教授罗伯特·里奇(Robert Ritchie)对伯克利国家实验室新闻室表示:“原本这种合金的金属原子是滑顺且简单的晶粒,但在低温施压出现变形时,其内部开始出现大量障碍物,这让它的断裂韧性值远超过大多数材料。”

  该实验室的电子显微镜中心主任小安德鲁(Andrew Minor)则补充说:“当金属形变后结构变得非常复杂,这种转变有助于解释为何它会出现对这种对抗断裂的特性。”

  另外,里奇教授还表示:“这种材料在液态氦(He)的温度(-253.15°C)时,却拥有高达500 MPa·m½的断裂韧性值。”

  里奇教授解释:“若相同单位中,一块硅(Si)的断裂韧性值是1 MPa·m½、客机使用的铝合金机身断裂韧性值是35 MPa·m½,而最好的钢材断裂韧性值是100 MPa·m½,那么该合金展现的数值是十分惊人的。”

  不过,里奇教授表示,尽管目前发展令人兴奋,但是距离实用阶段还为之过早。“我们需要更多时间去更加了解这种材料的性质,未来才能在投入实际应用当中,避免人们使用它时,出现大家最不想看到的意外发生。”

  新闻室在报道中提到,橡树岭国家实验室的工程学教授乔治(Easo P. George)和里奇教授在十年前就开始研究铬钴镍合金,与该金属上再加上含锰(Mn)和铁(Fe)的铬锰铁钴镍(CrMnFeCoNi)合金。

  当时他们将材料放至液态氮温度下(-196 °C)观察该种金属的变化时发现,该种合金有着让人印象深刻的韧性和强度。为了能在这种寒冷温度下进行各种样品的测试,他们花费10年时间才找齐各式各样的人员和工具,最终才得出该实验成果。

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