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北京工業大學,2024年首篇Nature!

體心立方難熔多主元素合金(MPEAs)由多種難熔金屬元素組成,具有大于1吉帕斯卡的屈服強度,是一種很有前途的材料,可滿足各種結構應用的需求。
然而,它們在室溫下的低至無拉伸延性,限制了它們的加工性能和放大應用。
在此,來自北京工業大學毛圣成&韓曉東等研究者提出了一種HfNbTiVAl10合金,它具有顯著的拉伸延展性(約20%)超高的屈服強度(約1,390兆帕卡)。相關論文以題為“Negative mixing enthalpy solid solutions deliver high strength and ductility”于2024年01月03日發表在Nature上。
北京工業大學,2024年首篇Nature!
多主元素合金(MPEAs)是由高濃度的許多組成元素以相等或接近相等的原子比例組成的,稱為高熵合金,在探索更好的機械性能方面,比傳統的稀合金提供了更大的組成靈活性。雖然主要由耐火元素組成的體心立方(bcc)耐火MEPAs在室溫下很容易達到接近或超過1GPa的屈服強度,但阻礙其加工性能和潛在應用的一個關鍵瓶頸是其低至零的拉伸塑性。
這種強度-塑性的權衡并不奇怪,因為直螺位錯平面滑移主導塑性變形,缺乏位錯相互作用和增加應變硬化,這對維持非局部塑性應變至關重要。否則,屈服后立即發生應變局部化和不穩定,如頸縮。抑制這種不穩定性的一個主要策略是在廣泛的區域內保持高水平(大于1)的歸一化應變硬化率θ。
到目前為止,許多傳統的方法,如孿生誘導塑性和相變誘導塑性,已被用于改善難熔MEPAs的應變硬化,通過調整其相穩定性,通常導致強度降低。一個典型的例子是TaxHfZrTi合金,通過使組成相亞穩態激發相變誘導塑性,達到了高達25%的拉伸延性,但屈服強度相對較低,只有幾百兆帕斯卡。
最近的研究集中在探索化學非均質性,如短序和局部化學波動(CFs),作為改善耐火MEPAs延性的一個有希望的途徑。這些化學非均質性通過有效捕獲位錯來延緩位錯運動,從而增加位錯相互作用,并顯著提高合金的應變硬化能力。
然而,這些非均勻性的強化效果被發現是有限的,因為它們的尺寸很小(小于3納米)。因此,缺乏其他強化機制導致屈服強度相對較低,低于1 GPa。因此,如何通過協同提高耐火MEPAs的強度和抗拉延性來打破強度和延性之間的平衡,仍然是一個基礎性和挑戰性的問題。
在此,研究者報道了一種HfNbTiVAl10合金(以下簡稱HNTVA10),在室溫下表現出優異的抗拉強度-塑性協同作用。圖1a顯示了退火后HNTVA10合金的工程應力-應變曲線和真實應力-應變曲線。值得注意的是,該合金的屈服強度(σy)約為1,390 MPa,極限抗拉強度(σUTS)約為1,416 MPa,同時具有優異的延性,均勻延伸率(εu)約為20%。作為參考,研究者將這些結果與基準HfNbTiVAl0和HfNbTiVAl5合金(以下分別稱為HNTVA0和HNTVA5)進行了比較,觀察到強度和延性同時增加。圖1b是HNTVA10合金與其他優良bcc耐火MEPAs屈服強度與塑性的對比分析。
大多數高強度bcc耐火MEPAs具有較低的延性(εu < 5%)。盡管通過精巧的合金設計,在一些合金體系中已經實現了延性,但延性bcc耐火材料MPEAs的強度-延性關系顯示出一種香蕉狀的權衡,這在稀合金中通常會發生。
北京工業大學,2024年首篇Nature!
圖1.?HNTVA10合金的拉伸性能及與其他高性能bcc耐火MEPAs的比較
北京工業大學,2024年首篇Nature!
圖2. HNTVA10合金中具有多層CFs的分層異質結構
北京工業大學,2024年首篇Nature!
圖3. 歸一化應變硬化速率和位錯密度
北京工業大學,2024年首篇Nature!
圖4. HNTVA10合金的變形機理
綜上所述,研究者開發了HNTVA10型耐火MPEA,并在張力下顯示出特殊的強度-延展性協同作用。這是通過負混合焓強化效應和相關的跨越許多尺度的獨特分層化學異質性的產生來實現的。
這些異質性在延緩位錯運動的同時促進位錯相互作用和積累,從而延緩塑性不穩定。負混合焓固溶體路線被證明是通用性和可重復性的,并為其他MPEA體系提供了啟發,可以同時提高強度和延性。
文獻信息
An, Z., Li, A., Mao, S.?et al.?Negative mixing enthalpy solid solutions deliver high strength and ductility.?Nature?(2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06894-9

原文鏈接:

http://www.nature.j.yyttgd.top/articles/s41586-023-06894-9

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