新的结构见解可能会导致合金的机械增强
一种新型金属材料可以承受极端温度并抗断裂，在飞机涡轮机、核反应堆和太空探索设备中具有潜在的应用前景，但科学家们直到现在才明白其中的原因。根据宾夕法尼亚州立大学研究人员共同领导的一项新研究，答案可能与材料的短程有序或材料内原子的局部排列有关。研究人员表示，这些知识可能会进一步提高这些材料的机械性能和损伤容限，从而提高下一代交通或发电厂工程系统的安全性和可靠性。
他们的研究结果发表在 《自然通讯》杂志上。
该团队开发了一种新的成像方法来研究金属材料的局部原子排列，称为高熵和中熵合金(HEA/MEA)，并将他们的研究重点放在铬钴镍(CrCoNi)MEA及其对机械性能的影响。
“CrCoNi 的机械性能令人惊叹，”宾夕法尼亚州立大学工程科学、力学和核工程助理教授、材料研究所的共同通讯作者杨阳说。“例如，最近研究表明，它在接近 -423 华氏度的温度下具有地球上最高的韧性。但人们不知道为什么它这么好。”
杨说，一些科学家推测这是短程有序造成的。
“但是，由于材料中的短程有序非常小且微妙，因此观察或测量它以提供实验证明非常具有挑战性，”共同通讯作者、材料科学与工程教授安德鲁·M·米诺 (Andrew M. Minor) 说。加州大学伯克利分校(UC Berkeley)和劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)。
CrCoNi 具有三种成分：铬、钴和镍。杨说，合金中每种元素都具有相同的原子分数，早期研究假设这三种原子中的每一种都是随机分布在系统内的。然而，杨说，最近的研究表明该材料实际上表现出短程有序。
“让我们想象一下，有一个聚会，有来自宾夕法尼亚州立大学、俄亥俄州立大学和北卡罗来纳州立大学的人，”杨说。“而且，理想情况下，你会期望每个人都能无缝地融为一体，在整个房间里形成统一的个人组合。然而，在实践中，情况并非总是如此。通常，来自同一所大学的人往往会因为共同的经历而相互吸引。这是一种短程秩序，偏离了预期的随机分布。”
为了研究短程有序在 CrCoNi 中的作用，团队设计了一个使用能量过滤 4D 扫描透射电子显微镜 (4D-STEM) 系统的实验。在 4D-STEM 实验中，纳米电子束扫描样品，为每个点生成纳米束电子衍射图案。据 Minor 介绍，他们每秒能够捕获数百张电子衍射图像，从而能够以大视场和高分辨率分析应力下材料缺陷的演变。
“缺陷是在机械变形过程中形成的，我们实际上发现缺陷的形成存在一个过渡，”Minor 说，并指出他们特别关注平面缺陷，或者说平面堆叠顺序中的“错误”。原子。“我们发现平面缺陷在初始循环期间是完全可逆的。如果我们让它变形然后释放力，它就会完全恢复。然而，经过大约一千个机械变形循环后，这种可逆性消失了。此时，在我们释放负载后，缺陷往往会保留在那里。我们认为，这种转变实际上是由该系统中的短期秩序控制的。”
杨说，这是因为在开始时，系统有大量的短程订单，这使得可逆过程有利。然而，变形逐渐破坏了这种小的有序性，并将变形机制调整为有利于形成平面缺陷的另一种机制。
“短期命令就像一个主持人，”杨说。“它的局部密度，或者说它的程度，控制着哪个机制正在发挥作用，哪个机制不起作用。不同变形机制的协同作用对于此类材料的高损伤容限至关重要。”
通过成功提供一种可视化 CrCoNi 中平面缺陷演化的技术并集成先进的原子建模，研究人员能够揭示短程有序与平面缺陷之间的相互作用，从而提高这些合金的机械性能。
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