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Science地表最韧材料,温度越低它越韧

  本文来自微信公众号:XMOLNews
  强度,代表材料对不可恢复变形的抵抗力,而韧性,是材料对断裂的抵抗能力。几乎所有工程材料的要求都是既强又韧,然而强度和韧性就像是一对欢喜冤家,总是此消彼长,难以兼容调和。
  强度韧性关系的阿什比图(Ashbyplot)以及增韧机制。图片来源:Nat。Mater。〔1〕
  高熵合金(highentropyalloy,HEA)作为一类新型金属材料,在冶金界引起了越来越多的关注。传统合金材料一般只含有一种元素作为主要成分,比如钢中的铁元素,而其他元素较少;高熵合金中每种组成元素含量相当,材料性能也与多种元素的存在相关。早在2014年,美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBL)的RobertO。Ritchie团队就制备出单相面心立方结构的五元高熵合金CrMnFeCoNi〔2〕。该材料表现出优异的抗损伤能力,抗拉强度超过1GPa,断裂韧性超过200MPam12,而且更有意思的是,这种高熵合金的强度和韧性在低温下(液氮温度,约77K)甚至表现的更好。
  CrMnFeCoNi高熵合金的结构和力学性能。图片来源:Science〔2〕
  在这种五元高熵合金的基础之上,近日RobertO。Ritchie团队又在Science杂志发表论文,报道了一种由铬、钴和镍(CrCoNi)组成的三元高熵合金,这种金属材料不仅具有极高的延展性和强度,其低温(20K)断裂韧性更打破了迄今为止的记录。机理研究表明,三元高熵合金的低温断裂韧性要归因于相变与其他微观结构的协同作用,防止裂纹的形成和扩展。
  三种合金元素混合的可能性。图片来源:Nat。Rev。Mater。〔3〕
  研究者首先比较了相同制备方法下,CrCoNi和之前报道的CrMnFeCoNi两种合金的力学性能。在经过电弧熔化、滴铸、均化、高温再结晶后,两者的平均晶粒尺寸分别为21m和8m。单轴拉伸应力应变曲线和J阻力曲线(R曲线)显示,两种合金在20K(液氦温度)下的韧性均高于其他温度。其中,CrMnFeCoNi的裂纹萌生断裂韧性(KJIC)和裂纹扩展韧性(KSS)分别为262和383MPam12,而CrCoNi的相应值为459和544MPam12,大大高于前者。如果对这个数值没有概念,可以举一个常见的例子,客机中常用的铝基机身在相同条件下的断裂韧性仅为35MPam12左右。
  CrCoNi和CrMnFeCoNi高熵合金的J阻力曲线,以及断裂韧性随温度的变化。图片来源:Science
  两种高熵合金都是简单的单相固溶体,没有太过于复杂的微观结构。那么,这种优异的断裂韧性,尤其是低温下逐步增强的机理是什么呢?通过对20K下高熵合金断裂后断口位置形貌和微观结构的分析,研究者发现,这些区域局部应变达到60100,同时单相结构转变为复杂相且富含缺陷的混合体,裂纹尖端附近的塑性区出现大量因变形诱发的孪晶。
  两种合金的断口形貌和微观结构。图片来源:Science
  CrCoNi合金裂纹尖端的电子背散射衍射(EBSD)分析。图片来源:Science
  研究者认为,低层错能推动的形变模式的不同,或许是导致低温断裂韧性增强的主要原因。室温下,CrCoNi的断裂面也存在纳米孪晶或层错,尺寸约为几纳米,而20K下,纳米孪晶和堆叠断层尺寸非常微小,且出现了典型的六方紧密堆积相(hcp),这是室温断裂面所没有的。理论计算表明,hcp相比面心立方相(fcc)更稳定,而低温条件限制了位错运动和孪晶生长,因此增加了孪晶和hcp相的形成。
  293K和20K下,断裂面附近微观结构。图片来源:Science
  作为低温结构材料,CrCoNi合金是迄今为止报告的所有金属合金中断裂韧性最高的。这表明该类材料在低温条件下依旧具有广泛的应用前景,如液态氢、液态天然气的远距离运输,以及航空航天飞行器结构材料等。
  强度韧性关系的阿什比图。图片来源:Science
  当你设计结构材料时,总希望它们既有高强度又有高延展性,论文作者EasoP。George说,我们通常只能在这些此消彼长的特性中做出折衷选择,但这种金属合金同时具有这两种特性,在低温下不会变脆,反而变得更有韧性。这种材料在液氦温度范围(20K)下的韧性高达500MPam12,相比之下,最好的钢材商业产品的韧性也不过约100MPam12。‘500’,这是一个惊人的数字,RobertO。Ritchie说,材料的结构决定了它的特性。CrCoNi的结构极为简单,然而当它发生形变时,结构会变得非常复杂,而这种转变有助于解释其非凡断裂韧性。〔4〕
  ExceptionalfracturetoughnessofCrCoNibasedmediumandhighentropyalloysat20kelvin
  DongLiu,QinYu,SaurabhKabra,MingJiang,PaulFornaKreutzer,RuopengZhang,MadelynPayne,FlynnWalsh,BerndGludovatz,MarkAsta,AndrewM。Minor,EasoP。George,RobertO。Ritchie
  Science,2022,378,978983。DOI:10。1126science。abp8070
  参考文献:
  〔1〕RobertO。Ritchie,Theconflictsbetweenstrengthandtoughness。Nat。Mater。2011,10,817822。DOI:10。1038nmat3115
  〔2〕B。Gludovatz,etal。Afractureresistanthighentropyalloyforcryogenicapplications。Science,2014,345,11531158。DOI:10。1126science。1254581
  〔3〕E。P。George,etal。,Highentropyalloys。Nat。Rev。Mater。2019,4,515534。DOI:10。1038s4157801901214
  〔4〕SayHellototheToughestMaterialonEarth
  https:newscenter。lbl。gov20221208sayhellotothetoughestmaterialonearth

科莫多巨蜥的毒液到底有多可怕?2009年,一名31岁的渔民安瓦尔,在印尼科莫多岛上采摘水果,结果不小心从水果树上掉了下来,刚好踩到了一只巨型蜥蜴,蜥蜴瞬间就朝他扑了过去,咬住了他的腿,之后又咬住了他的手臂,身体武汉未来的房价会涨到100000元平米吗?这个问题的答案是肯定的!以目前的趋势,未来武汉房价必然达到10万的水平,只是时间长短的问题。2010年至2017年,短短七年间,武汉的房价已经翻了3番,目前,武汉部分高端楼盘如洞庭兰州青白石片区,中央公园怎么样?兰州北拓的黄金区域,目前基础交通还跟不上建设需要,交通滞后可能会成为十四五期间兰州青白石片区发展的的最大障碍!不过就兰州地理位置和城区格局而言,青白石片区是离主城区最近的待开发区域农民为什么不在国家统计失业范围之内?中国有四个儿子,大儿子叫工人,二儿子叫子弟兵,三儿子叫公务员,四儿子叫农民,所以四儿子就没有纳入统计失业包括养老金范围,因为四儿子有金山银山还有三分地。农民有土地,这是农民可以赖以农村成立社区是什么意思?很多农村驻有村委会办公室,同时也驻有社区管理委员会办公室,特别是在城市郊区的农村和街道的农村都同时设立了村委会和社区管理委员会,很多人弄不明白是怎么回事。那农村成立社区是什么意思呢农村里的剩男,为何一剩再剩呢?到底是什么原因?男女比例失调。计划生育只要一个孩子时,受封建思想影响,都拚命要男孩,等他们长大了,很难找到媳妇。一,农村姑娘远嫁,二,女孩见少,三,彩礼高,四,剩男挣钱少。我就一大龄剩男!个人亲身抖音付费直播试水,看直播要给钱了?我们应该如何思考?使劲收,最好是家人们看的话,一分钟100块钱。毕竟粉丝听话的很。毕竟人设都设计好了打PK,卖货摆错价格,怒亏2个亿回馈粉丝。没事就怼工厂,怼员工反正就是赔钱回馈粉丝。赔完还得补交税马上就要退休了,退休工资才3650元太少了,怎么办?3600不少了。我企业工龄32年,退休时退休金只有2200,涨了这么多年还不到3000。知足常乐吧!如果身体不好,这些钱也够生活了,如果身体还可以,就找一些力所能及的工作,打打工补南宁五象新区未来的发展潜力很大吗?五象新区无法成为国家级新区!!!目前看来,五象新区的潜力也就这样了。我们对比一下贵阳的贵安新区,贵安新区的面积是1700平方公里,由贵阳市的郊区和安顺市合并得来。是全国第8个国家级如果把三峡大坝加高10米,截留更多的洪水,可行吗?我国的三峡大坝,作为当今世界上最大的水利枢纽工程,位于湖北省宜昌市上游,距下游葛洲坝水电站38公里,三峡大坝全长2309米高185米,呈梯形形状,集发电旅游航运调控洪水于一身。三峡大家有经历过亲人去世吗?是怎样走出痛苦和想念的?2018年9月1日下午3点8分,我的妻子在医院里停止了呼吸。她的眼睛没有闭上,我流着泪,帮她合上了双眼。我永远失去了我最亲近的爱人,孩子永远的失去了妈妈。一位好妻子,好女儿,好姑妈
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