科学家利用高熵合金探究位错雪崩助力高强材料的研发
2018-10-22 11:27:04
作者：本网整理 来源：材料科技在线
机械结构与制造它们的材料一样是可靠的。几十年来，研究人员一直在研究这些材料的结构，以了解它们为何以及如何失效。在灾难性的破坏之前，会有单个的裂纹或位错形成，这是结构可能被削弱的信号。虽然研究人员过去曾对个别位错进行过研究，但伊利诺伊大学厄本那-香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）、田纳西大学（University of Tennessee）和橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的一个研究小组，已经使人们能够了解位错是如何在纳米尺度上组织和反应的。
来自材料科学与工程教授以及伊利诺伊州Frederick Seitz材料研究实验室的附属机构的主要作者Jian-Mu Zuo，Ivan Racheff 说：“金属由多晶体制成，晶体的原子排列有序。当在这些金属中施加力时，晶体会滑动并相互移动。像桥梁这样的结构可能会有很多位错，可能会移动，但运动量很小。由于数千或数万个位错在金属内缠结，并产生局部应力。这种组织可能导致突然变形，如雪崩。这非常引人注目，更难以控制。”
该团队还包括伊利诺伊州浓缩物质学家Karin Dahmen，他在通信物理学（“缓慢压缩的高熵合金纳米柱中的位错雪崩机制”）中公布了其结果。实验工作由杨虎博士完成，作为博士论文的一部分。
这是高熵纳米柱中的位错雪崩。聚焦离子束用于制造纳米柱（左）用于压缩测试。透射电子显微镜用于在位错雪崩期间对位错堆积进行成像（参见右侧的D）（图片来源：Frederick Seitz材料研究实验室）
在这项研究之前，研究人员无法理解结构内位错雪崩背后的机制。然而，伊利诺伊州的研究小组发现，一系列的脱臼堆积形成一个大坝以阻止运动。大坝后面是混乱的混乱。一旦有足够的压力，就会形成雪崩，导致大坝让位并且缠结的位错突然移动，这会削弱金属并最终导致灾难性的失败。通过更好地了解这一过程，本研究有望在未来帮助开发更强大的材料，并更好地预测何时结构可能处于危险之中。
为了研究像10-9米宽的串状位错，他们在高熵合金（HEA）的压缩纳米线中进行了位错雪崩的发展。HEA具有与铜或金相同的平均结构。但是，原子排列的方式使研究人员能够同时进行测量，并将位错运动与机械响应联系起来，准确地确定雪崩发生的位置。通过识别位错带，研究人员能够观察雪崩之前、期间和之后发生的情况。
Zuo 说：“人们已经理解了个别的错位是如何发生的，但直到现在他们还没有理解他们突然一起移动的方式。 我们的创新是使用一种新材料（HEA）来研究一个非常古老的问题并开发这种技术。”因为位错通常以微米的距离构成自己（想想之后的一块冰裂缝网络）在它上面行走时，通过在显微镜内观察它们很难确定单个事件，该显微镜仅适用于薄样品（在透射电子显微镜内，样品厚度通常小于1微米）。
Zuo解释道：“在传统的金属中，位错与我们一次看到的相距太远，因此它们在表面上消失了。此外，变形金属有一连串的位错，但只有少数实际上是活跃的。”因此，一些学者评论说，当人们看到金属中的变形后，就像访问一个错位的墓地。“为了见证完整的单一雪崩，Zuo和他的团队需要找到一种材料，其中位错以更小的尺度相互作用。 HEA是一种新型合金，由五种不同的金属元素（Al0.1CoCrFeNi）组成。因为每个金属原子具有不同的尺寸并且晶体是扭曲的，所以它减慢了位错，使得可以在相对小的体积内存储许多位错和雪崩。
伊利诺伊州的研究人员能够通过一种称为纳米压痕的技术来测量位错。他们采用一块HEA并使用离子束制造纳米柱，并使用纳米压痕仪的小扁平金刚石尖端将力施加到纳米柱上。
”这种材料使我们能够看到纳米尺度（500纳米）的位错，“左说，解释这个过程。 ”我们有一个机械实验室对电子显微镜内的测试样品施加力。当施加应力时，样品变形。当应力超过位错移动纳米柱内所需的应力时，位错将成倍增加。脱位移动并遇到阻力，它们减速并缠结在一起形成一个错位带。如果你想到像水流一样的压力，那么错位雪崩就像一个水坝破裂，水突然耗尽。便可对HEA进行观察。
该过程的结果是两次测量 - 首先是机械测量，它允许研究人员研究移位所需的力以及移动的程度，其次是电子成像以捕获视频中的位错运动。以前没有研究能够将电子成像和机械力测量结合起来研究位错雪崩。
Zou解释说这项研究为错位如何相互作用提供了一个关键的答案。“这种类型的测量可用于开发理论和计算模型，用于预测材料在特定压力下的行为。这很重要，因为灾难性的失败始于这种突然变形，在发生灾难性失败之前，我们将能够更好地预测行动。这反过来又会导致更强大的材料的发展。
这项研究恰逢整个伊利诺伊州校园努力将HEA用于核反应堆和高温应用。HEA在高温下稳定，可以承受很大的压力，如果我们了解位错结构，它将有助于为非常具有挑战性的应用开发材料。
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