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3 D打印高性能納米片層共晶高熵合金

材料強(qiáng)度和塑性的相互制衡是材料科學(xué)中的普遍難題。高熵合金的出現(xiàn)為合金設(shè)計(jì)和材料開發(fā)提供了一種新的范式，尤其是共晶高熵合金，因?yàn)榫哂须p相片層狀異構(gòu)組織，展示出比傳統(tǒng)合金更優(yōu)異的力學(xué)性能。傳統(tǒng)鑄造法制備的共晶片層組織在微米或亞微米尺度嚴(yán)重限制了材料的強(qiáng)度。相反，納米片層組織具有高強(qiáng)度但塑性較低。選區(qū)激光熔化技術(shù)（L-PBF）制備的納米合金強(qiáng)度高但拉伸塑性低。

因此，美國麻省大學(xué)陳文團(tuán)隊(duì)利用L-PBF 技術(shù)制備出高性能的雙相納米片層AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金。該材料展示出優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配能力（屈服強(qiáng)度>1.3 GPa，且均勻延伸率大于14%），優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配能力明顯優(yōu)于目前公開報(bào)道的3D 打印技術(shù)制備的其他合金。同時(shí)，利用原位中子衍射揭示了應(yīng)力在不同晶面及FCC 和BCC 相中的實(shí)時(shí)分配情況及兩相位錯(cuò)密度的演變。佐治亞理工學(xué)院朱廷團(tuán)隊(duì)開發(fā)了雙相材料晶體塑性有限元模型，首次揭示了BCC 納米片層罕見的顯著加工硬化行為。相關(guān)成果以Strong yet ductile nanolamellar highentropy alloys by additive manufacturing為題發(fā)表在Nature上。

多尺度非平衡態(tài)納米片層組織實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度塑性協(xié)同效應(yīng)。L-PBF 打印過程中的極高溫度梯度和冷卻速率使AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金形成了多尺度非平衡態(tài)組織：具有隨機(jī)織構(gòu)的微米尺度共晶團(tuán)中分布著BCC+FCC 納米片層結(jié)構(gòu)（平均片層間距約215 nm），BCC 片層中的調(diào)幅分解進(jìn)一步導(dǎo)致納米尺度化學(xué)異構(gòu)。共晶團(tuán)的隨機(jī)晶體學(xué)取向和生長方向有助于實(shí)現(xiàn)材料的各向同性力學(xué)特性。

在這項(xiàng)研究中所采用的原位中子衍射、雙相晶體塑性有限元模擬及透射電鏡等手段均證明BCC納米片層比FCC 納米片層具有更高的位錯(cuò)密度增殖速率及加工硬化速率。

該研究揭示了利用激光3D 打印特有的熱物理場(chǎng)特性及高熵合金的多主原特性設(shè)計(jì)高性能雙相/多相異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的思路。納米片層組織特有的強(qiáng)韌化機(jī)理可有效指導(dǎo)高性能鋁合金及鈦合金多相片層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（本刊記者 雪松）

哈工程張景懷團(tuán)隊(duì)揭示高塑性異質(zhì)結(jié)構(gòu)鎂合金的變形機(jī)理

鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，比強(qiáng)度高，在航空航天、軍工硬件、汽車等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。但鎂合金在室溫下成形性差，是限制其應(yīng)用的關(guān)鍵問題。成形性與大的加工硬化能力和高的拉伸伸長率密切相關(guān)。

為此，哈爾濱工程大學(xué)張景懷團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種具有異質(zhì)晶粒的 Mg-3Al-1Zn-0.4Mn （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 合金，極限抗拉強(qiáng)度（UTS）和屈服強(qiáng)度 （YS）的差值很大（UTS-YS： 164 MPa），并且具有良好的伸長率（22%）。

研究發(fā)現(xiàn)，大小晶粒的不均勻變形主要受晶粒間尺寸差異的影響，而非織構(gòu)的影響。高應(yīng)變硬化的原因是不均勻的微應(yīng)變?cè)诖缶Я：托【ЯＶg的晶界處堆積了幾何必要的位錯(cuò)。隨著拉伸應(yīng)變的增加，非基底位錯(cuò)的比例大大增加，有助于提高延展性。因此，提出了一種通過引入異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)來提高鎂合金可成形潛力的新策略。

相關(guān)研究成果以

Unveiling the deformation mechanism of highly deformable magnesium alloy with heterogeneous grains為題發(fā)表在Scripta Materialia上。

制備出的H-AZ31 Mg 合金具有高加工硬化能力和高延伸率，比其他AZ31 合金成形性具有更大的潛力。將類似的異質(zhì)結(jié)構(gòu)引入高強(qiáng)度鎂合金有望開發(fā)出更理想的具有良好成形性的高性能鎂合金。

（本刊記者 雪松）

重要突破：一種新的Hall-Petch關(guān)系

近70年來，σ0和ky在Hall-Patch 關(guān)系（H-P關(guān)系）中的計(jì)算和物理意義一直利用晶體結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)等物理理論修正和解釋?？紤]位錯(cuò)源與晶界之間距離、不同滑移體系的影響來修正H-P 關(guān)系，誕生了許多經(jīng)典的理論，如Ashby 幾何必須位錯(cuò)理論、Conrad 滑移距離模型、Petch 和Meakin 位錯(cuò)疊加理論、Conrad 滑移距離模型。但H-P 關(guān)系仍有兩個(gè)不足之處：首先，當(dāng)晶粒較粗(毫米級(jí)以上)或較細(xì)(納米級(jí))時(shí)，線性關(guān)系存在明顯偏差；其次，影響σ0和ky的內(nèi)在因素，以及物理機(jī)制有待進(jìn)一步明確。

機(jī)器學(xué)習(xí)可基于一系列數(shù)據(jù)直接進(jìn)行回歸建模，揭示材料內(nèi)部復(fù)雜的物理關(guān)系。北京科技大學(xué)的研究人員運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘的策略，探究了H-P 關(guān)系的物理本質(zhì)，揭示了影響多晶金屬屈服強(qiáng)度的關(guān)鍵物理量及其機(jī)制。建立屈服強(qiáng)度、關(guān)鍵物理量和晶粒尺寸之間的新的Hall-Petch 模型，以計(jì)算代替試驗(yàn)擬合的方法直接預(yù)測(cè)多晶金屬的屈服強(qiáng)度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)金屬成分之間跨尺度相關(guān)計(jì)算的新方法。相關(guān)研究成果以Physical mechanism interpretation of polycrystalline metals’yield strength via a datadriven method: A novel Hall–Petch relationship為題發(fā)表在Acta Materialia上。

本研究揭示了影響多晶金屬屈服強(qiáng)度的機(jī)理，為金屬材料成分、晶粒結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能之間的跨尺度建模和計(jì)算提供了理論方法。

（本刊記者 雪松）

難加工材料超高速加工領(lǐng)域取得新進(jìn)展

近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系講席教授張璧團(tuán)隊(duì)在難加工材料超高速加工領(lǐng)域取得研究進(jìn)展，相關(guān)論文以Surface integrity and material removal mechanisms in highspeed grinding of Al/SiCp metal matrix composites

為題發(fā)表在International Journal of Machine Tools and Manufacture上。研究團(tuán)隊(duì)采用了最高線速度達(dá)到307 m/s 的超高速磨削方式解決鋁基碳化硅復(fù)合材料在常規(guī)加工過程中發(fā)熱嚴(yán)重和表面完整性差的問題，結(jié)合多尺度表征手段揭示了鋁基碳化硅中兩組分在高磨削速度下的材料去除機(jī)理和亞表面損傷演化規(guī)律，提出了利用超高速磨削降低鋁基碳化硅中兩組分性能差異的方式來提高工件表面完整性，以期實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的均質(zhì)化去除。

鋁基碳化硅復(fù)合材料的兩組分（鋁合金基體和碳化硅顆粒增強(qiáng)相）之間的硬度和塑性等性能差異巨大，在常規(guī)加工中伴隨著塑性去除和脆性斷裂兩種材料去除方式，因此往往發(fā)熱嚴(yán)重而且表面缺陷和亞表面損傷非常嚴(yán)重。超高速磨削涉及溫度效應(yīng)、尺寸效應(yīng)以及應(yīng)變率效應(yīng)的相互作用。這些影響因素在磨削過程中無法直接測(cè)量，但是可以通過工件材料的微觀組織變化來反映。

研究發(fā)現(xiàn)，超高速磨削會(huì)降低工件亞表面塑性流動(dòng)層深度和鋁合金晶粒細(xì)化程度，抑制鋁基碳化硅中鋁合金基體的塑性變形，導(dǎo)致塑性組分塑性降低，這說明應(yīng)變率效應(yīng)在鋁合金基體的變形過程中起到了主導(dǎo)作用；磨削亞表面脆性碳化硅顆粒增強(qiáng)相中的位錯(cuò)密度提高，表明塑性增強(qiáng)，這說明尺寸效應(yīng)在碳化硅顆粒增強(qiáng)相的去除過程中起主要作用。因此，超高速磨削有助于降低塑性鋁合金基體的塑性，同時(shí)提高脆性碳化硅顆粒增強(qiáng)相，有利于降低兩組分之間的性能差異，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的均質(zhì)化去除。

（本刊記者 雪松）

科學(xué)家揭秘亞晶格尺度下晶體-非晶雜化結(jié)構(gòu)

通過創(chuàng)造雜化結(jié)構(gòu)集合晶態(tài)與非晶態(tài)的各自優(yōu)勢(shì)一直是材料科學(xué)家追求的理想目標(biāo)。北京高壓科學(xué)研究中心（HPSTAR）研究員呂旭杰團(tuán)隊(duì)，采用壓力調(diào)控，首次在單一材料亞晶格尺度上觀察到晶體-非晶雜化態(tài)，該材料兼具低熱導(dǎo)率和金屬導(dǎo)電率，實(shí)現(xiàn)了兩種相互競爭的物理性能的協(xié)同改善。相關(guān)研究以Nested order-disorderframework containing a crystalline matrix with self-filled amorphous-like innards為題發(fā)表在Nature Communications上。

根據(jù)原子排列是否存在長程周期性，固體一般可分為晶態(tài)和非晶態(tài)。原子之間不同的排列方式及其相互作用使晶態(tài)、非晶態(tài)材料展現(xiàn)出不同的物理和化學(xué)性質(zhì)。晶態(tài)和非晶態(tài)材料各具優(yōu)勢(shì)，如何獲得晶體-非晶雜化材料以集成這兩種狀態(tài)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)特點(diǎn)是理解其內(nèi)在相互作用機(jī)制的關(guān)鍵，也是新材料設(shè)計(jì)開發(fā)的重要方向。

晶體和非晶結(jié)構(gòu)在宏觀、介觀尺度上的復(fù)合研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，而更微觀尺度的雜化結(jié)構(gòu)將具有更本征的特性。呂旭杰團(tuán)隊(duì)提出了一種調(diào)節(jié)晶體的化學(xué)鍵層級(jí)的策略，選擇了具有強(qiáng)化學(xué)鍵層級(jí)結(jié)構(gòu)的化合物Cu12Sb4S13，利用壓力調(diào)節(jié)鍵合層次，得到了由自填充的無定形Cu 基亞晶格“內(nèi)臟”和堅(jiān)固的晶體框架組成的有序-無序嵌套結(jié)構(gòu)。

通過晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵合分析，發(fā)現(xiàn)Sb 陽離子的孤對(duì)電子起到了重要作用。孤對(duì)電子的強(qiáng)靜電斥力將部分銅原子從平衡位置推離，從而產(chǎn)生無序的亞晶格，而其余的晶體框架保持不變。

左上圖為亞晶格尺度下有序-無序嵌套結(jié)構(gòu)的形成。

（本刊記者 雪松）

研究發(fā)現(xiàn)納米壓入可在金屬中制造出超長一維塑性區(qū)

納米壓入或原子力顯微鏡(AFM)是探測(cè)納米尺度下材料力學(xué)性能和參數(shù)的有力手段。傳統(tǒng)的納米壓入塑性理論認(rèn)為，納米壓入會(huì)在壓痕下方產(chǎn)生高密度的幾何必須位錯(cuò)，這些位錯(cuò)分布在一個(gè)半球形的塑性影響區(qū)內(nèi)。然而，當(dāng)壓頭尺寸減小到幾十nm 或更小時(shí)，納米壓入的壓入曲線上會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的位移或載荷突跳（popin），這種情況下壓痕下方可能出現(xiàn)不同于經(jīng)典納米壓入塑性理論所描述的塑性影響區(qū)構(gòu)型。因?yàn)槿狈υ恢庇^的技術(shù)手段，納米壓入下塑性區(qū)的形成機(jī)制和幾何構(gòu)型仍然是個(gè)謎。

針對(duì)上述問題，西安交通大學(xué)單智偉教授團(tuán)隊(duì)利用聚焦離子束制備了一系列尺寸不同的壓頭，采用原位透射電鏡納米壓入技術(shù)，以單晶鋁基體為模型材料，原位觀測(cè)了popin 發(fā)生時(shí)壓頭下方位錯(cuò)的形核類型以及所形成的位錯(cuò)塑性影響區(qū)構(gòu)型。結(jié)果表明，位錯(cuò)塑性區(qū)的形狀與壓頭尺寸緊密相關(guān)，若假定壓頭頂部為半球狀，當(dāng)其直徑大于～100 nm時(shí)，pop-in 發(fā)生后會(huì)在壓痕下方形成半球狀分布的“三維”塑性區(qū)，內(nèi)部有高密度的常規(guī)位錯(cuò)，與傳統(tǒng)認(rèn)知完全相符。然而，減小壓頭直徑到約15 nm，則塑性區(qū)將完全呈現(xiàn)為一維形狀，全部由規(guī)律分布的棱柱位錯(cuò)環(huán)組成，避免了位錯(cuò)之間的交割和纏結(jié)，形成“一維”塑性區(qū)。隨著接觸面積的增大，塑性影響區(qū)也將從“一維”逐漸向“三維半球狀”轉(zhuǎn)變。

上述研究成果為納米壓入數(shù)據(jù)分析、薄膜表層改性等應(yīng)用場(chǎng)景提供了試驗(yàn)和理論上的參考。相關(guān)研究成果以Ultralong one-dimensional plastic zone created in aluminum underneath a nanoscale indent為題發(fā)表在Acta Materialia上。

（本刊記者 雪松）

馬氏體鋼中氫捕獲行為研究新進(jìn)展

近日，南京理工大學(xué)陳光院士團(tuán)隊(duì)和北京科技大學(xué)喬利杰教授團(tuán)隊(duì)合作，通過結(jié)合原位掃描開爾文探針力顯微鏡和球差校正透射電子顯微鏡，研究了高強(qiáng)度低合金馬氏體鋼中氫與納米析出相交互作用的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)并不是所有的非共格界面都能捕獲氫，有些甚至可能排斥氫；析出相表面的碳/硫空位和附近基體的彈性拉應(yīng)變場(chǎng)可能是影響界面捕獲氫行為的關(guān)鍵因素。相關(guān)研究成果以Atomicscale insights on hydrogen trapping and exclusion at incoherent interfaces of nanoprecipitates in martensitic steels為題發(fā)表在Nature Communications上。

氫會(huì)對(duì)金屬材料的力學(xué)性能造成不利影響，包括氫脆（HE）。氫脆敏感性隨材料強(qiáng)度的增加而增加，這是高強(qiáng)度合金開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)主要問題。緩解HE 的最具吸引力的方法之一是使用納米沉淀物捕獲材料中的可擴(kuò)散氫原子。普遍認(rèn)為，納米析出相可以通過空位、特定界面結(jié)構(gòu)和失配位錯(cuò)捕獲氫。然而，對(duì)于非共格納米析出相是否能捕獲氫仍存在爭議。熱脫附光譜（TDS）結(jié)果表明，室溫充氫時(shí)，鋼中的非共格納米析出相TiC、NbC 和VC不能捕獲氫。相反，原子探針層析（APT）結(jié)果發(fā)現(xiàn)氘在NbC 和馬氏體基體的非共格界面處偏聚。從根本上說，非共格納米析出相與基體的界面結(jié)構(gòu)會(huì)隨著二者的相對(duì)取向而變化，進(jìn)而可能導(dǎo)致不同的氫捕獲行為。

本研究展示了一種可行的方法來直接探測(cè)氫捕獲行為和微觀機(jī)理，為氫-材料交互作用提供了新的研究思路。

（本刊記者 雪松）

3D 打印分級(jí)多孔高性能陶瓷

近日，由美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合麻省大學(xué)和哈佛大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)提出一種自組裝結(jié)合 3D 打印技術(shù)來創(chuàng)建具有從微米級(jí)到納米級(jí)的多級(jí)多孔陶瓷結(jié)構(gòu)。其中，微米尺度孔隙率是通過墨水直寫技術(shù)創(chuàng)造具有3D 晶格結(jié)構(gòu)的圓柱形支柱而成。納米尺寸孔隙率是在每個(gè)支柱內(nèi)部通過嵌段共聚物模板，隨后在無氧環(huán)境下進(jìn)行光聚合和熱分解，從陶瓷前驅(qū)體聚合物和聚碳硅烷轉(zhuǎn)變成具有“納米珊瑚狀”形貌的SiOC 陶瓷。

所制備的分級(jí)多孔陶瓷3D 晶格結(jié)構(gòu)具有可與金屬泡沫材料相媲美的優(yōu)異能量吸收能力（0.31 MJ/m3）。并具有比塊體陶瓷前驅(qū)體聚合物轉(zhuǎn)化陶瓷低一個(gè)數(shù)量級(jí)的熱導(dǎo)率（0.087～0.16 W/（m·K））。

另外，在熱分解之前，可對(duì)打印的晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)以形成更復(fù)雜的形狀。通過結(jié)合自組裝和定向組裝，本文為制備分級(jí)多孔陶瓷開辟了新的途徑。相關(guān)成果以Hierarchically porous ceramics via direct writing of preceramic polymertriblock copolymer inks為題發(fā)表在Materials Today上。

上圖為對(duì)分級(jí)多孔陶瓷進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)和折疊的過程。

（本刊記者 雪松）