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Nature:抗蠕变又有强度的纳米晶合金诞生啦
2016-10-14 12:26:03 作者:本网整理 来源:网络

  纳米晶材料,由于晶粒的尺寸大大减小(小于100 nm),其室温下的力学强度大大提高(依据Hall-Petch公式)。然而,伴随着晶粒尺寸变小,抗蠕变性能却有所下降,应力条件下引起蠕变变形的临界温度也会大大降低。纳米材料抗蠕变性能的退化,可以解释为晶粒减小带来的晶胞边界增多,导致纳米金属材料的微观不稳定性,晶粒间更容易发生扩散蠕变,滑动和旋转。这一点限制了纳米晶体材料的应用范围,尤其是在高温领域中的应用。


  近日,美国陆军研究实验室的K. A. Darling和亚利桑那州立大学K. N. Solanki等人在Nature上报道了一种新型铜钽合金(Cu-10 at% Ta),这种纳米晶合金材料既能保持高机械强度,又满足高温抗蠕变性能,同时具有热稳定性。(Extreme creep resistance in a microstructurally stable nanocrystalline alloy. Nature, 2016, 537, 378-381, DOI: 10.1038/nature19313)


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  先来看看作者的材料制备过程,简单整理如下:


  1)将制备的铜钽纳米晶粉末(Cu–10 at% Ta)在高能球磨机中低温研磨4小时,球料比5:1,液氮控温-196 °C。


  2)通过等通道转角挤压法(equal-channel angular extrusion,ECAE)将粉末压成合金块,模具350 °C预热,粉末700 °C预热(Ar气环境40 min)。制备得到的合金中铜晶粒的平均尺寸为50 ± 17.5 nm,钽晶粒尺寸分布在3.18 ± 0.86 nm到32 ± 7.5 nm之间。


  上述步骤需要在手套箱中进行。


  稍微解释一下“等通道转角挤压法”,该方法上世纪80年代由前苏联的Segal等人提出,90年代因为被Valiev等人用于亚微米级晶粒尺寸的铝合金制备而引起关注。过程如下图所示,由于加工过程中不改变材料的横截面面积和截面形状,故只需较低的工作压力,就可实现材料的反复定向、均匀剪切变形,制备亚微米级和纳米级晶粒的合金材料。


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  再来看看该材料的抗蠕变性能。在0.5-0.64 Tm(melting temperature)温度下,施加0.85%-1.2%的剪切模量,Cu-Ta纳米合金表现出低于10-6s-1的稳定蠕变速率,该速率比大部分纳米晶金属要低6-8个数量级。同时,通过对纳米铜和纳米铜钽合金的计算,也验证了这一结论。


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总结:


  本文探索了纳米合金微观结构的抗蠕变性能,设计出同时具备高机械强度和高温抗蠕变的纳米晶合金材料,有望为纳米材料拓展新的应用领域,尤其是在航空航天、军事和能源部门等方向。

 

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