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高熵合金性能卓越 未来发展空间巨大
信息来源:世界金属导报2019-02-12B01      时间:2019-02-19 09:26:31


1概述

高熵合金是一种创新型材料,由五种或五种以上类型的金属元素制备而成。由于机械性能突出,这些材料在冶金、材料和工程科学领域一直备受关注。韩国浦项科技大学的学者解释了高熵合金的创造过程,以及它们的影响力如何超出了冶金学的范畴。

人类通过适时调节,挑战周围不断变化的环境,创造出了文明。在特大城市里,车辆驶过高层建筑群,火车穿过长桥,飞机飞过天空,划过一道白线,这些就是现代文明的典型特征。工具的使用和进化提升了工业生产率,带动了人类社会的扩张,进而产生了人类文明的发展。材料在提升工具效率方面正发挥着极为重要的作用,因而也成为了决定文明发展不同阶段的一项标准。制作工具的原材料可以轻易在自然中找到,例如:木材、稻草和石头等这类常见材料。采用金属制成的物体和工具更为常见。由于形状复杂,而且需要火源从原料中冶炼金属,因此,采用金属制造工具的起步较晚。不过,由于强度和成型性突出,金属在当今工业社会已经成为了最重要的材料之一。在不同金属中,钢材由于天然资源丰富,而且仅需相对简单的调整就可以实现高成型性,因此一直发挥着主导作用。正因如此,钢材的生产和消费可被视作是一个国家发展水平的指标。

2“位错”开启了冶金学的全新篇章

金属通常在室温凝固。可以设想一堆工业碎片如何组装

成一个单一的大型物件。许多固体都是通过对称结构(如:立方体)的规则配置形成的,而这些对称结构是由原子通过无限重复的团组成的,填满了三维空间,这也被成为晶体结构。众所周知,金属晶体中原子间的作用力是弱于其他固体形态的。而且一种晶体结构通常含有晶体缺陷,这些缺陷并不是按照正常规律排列的。在这些缺陷中,“位错”极大地影响了晶体结构的机械性能。

位错中,原子之间的空隙产生了一条长的直线。在金属的敲打、弯曲或拉伸过程中,就会在金属内产生位错,而且还会重新排列。这是因为金属固体原子之间的相互作用力较低,之前存在的化学键会轻易断裂并形成新键。换言之,

可以通过调整位错的排列,而且通过施加作用力就可以产生新的形式。另一方面,其他固态物质的强键结合晶体结构,比如盐,由于不会被外力轻易破坏,因此很难改变它们的形状。

3有效控制“位错”是冶金学家的梦想

开发坚硬的、牢不可破的,同时兼具延性的材料是冶金学家长久的梦想。需要考虑的关键问题就是如何控制金属内的位错运动。通过混合两种或以上的原子,形成一种合金,就可以制备出不同的金属材料,它们的性能取决于原子的比率和制造工艺。

韩国浦项钢铁公司成功投入商业化生产的千兆钢就是一种高强钢,设计开发出了一种孪晶结构,左边和右边相互对称,就像镜面一样,或者通过控制位错,在塑性变形过程中改变了晶体结构,它可以被视作是一种高尖端的金属材料。

4超越常规的束缚

金属材料潜力巨大,而冶金学家则善于发掘这些潜力。在近年冶金学研究的巨大成就中,最为亮眼的便是高熵合金。

通常,金属材料是根据所需的性能将两种或三种少量元素与一种主要元素相结合,从而开发出的合金。高熵合金则是通过将五种或五种以上的元素以相同或相近的比率相结合而形成的,无需主要元素。这种方法可以制备出几乎各种各样的合金,通过此法已经研究并提出了具有优秀低温性能和耐腐蚀性能的合金(图1)。

研究成果显示,高熵合金的高性能是与孪生变形密切相关的。此前的假设就是这些合金存在于孪生变形的范围之外,因此,这已经超出了冶金学常规知识的范围。

韩国浦项科技大学的钢铁技术研究院联合瑞典皇家理工学院组建了国际合作研究小组,提出了原子水平的一般理论,并进行原子量子力学计算。结果显示,相较传统合金,高熵合金是一种完全不同的材料,孪生变形更为有效,因此产生了较高的机械性能。

5超高强度

值得强调的第二大成就便是韩国浦项科技大学的钢铁技术研究院开发的超轻高强钢,这种合金在钢种成分方面设计了高含量的锰和铝,而镍含量则较低,通过适当的工艺控制可以制备小尺寸的次生晶体。

众所周知,次生晶体具有化学稳定性,而且会造成金属材料的性能下降,应该避免产生。与之相反,新近提出的合金在机械性能方面是优于传统钢材的,甚至还优于用作飞机材料的钛合金,这预示着浦项的千兆钢、高熵合金和超轻高强钢等新一代高合金钢已经揭开了金属材料的新篇章。

6对安全和可持续发展的不懈追求

人类应该对星球和文明的未来进行充分考量,只有这样才能彰显智慧。截至目前,科学知识已经指引我们平稳应对各类挑战。冶金学家的作用也是至关重要的,为了探寻并应用各种材料,而且持续推动社会在未来实现安全、高效和可持续的发展,这些学者还将致力于在材料的原理、应用等领域进行更为深入的研究,揭示自然科学伟大的力量。 (罗晔)

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