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开启金属界新的大门:高熵合金
2017-08-10


开启金属界新的大门:高熵合金


   纯金属一般难以具备结构件所需的力学性能,只有在添加少量合金元素之后才可以获得人们期望的显微组织或是性能,如强韧的良好匹配,然而,此时的合金仍以一种元素为主导,如钢中的铁,或者高温合金中的镍。此外,合金的力学性能往往很大程度上取决于组织中的第二相,一个很典型的例子就是沉淀硬化铝合金。目前,人类已开发使用的实际合金系共三十余种,大多数合金体系都是以1~2种金属元素为主。为什么合金体系没有向多元方向发展?Greer对此提出了相关的理论:当合金包含越来越多的近似摩尔组分的元素时,会更加易于形成脆性的玻璃相。

   此合金设计传统观念在1995年被打破了。中国台湾学者叶均蔚等人研究发现,多主元高熵合金,每个主要元素都占据较多原子分数但又不超过35%,即没有占据主导作用的元素,在各元素势均力敌的情况下展现合金的整体性能。此时,多主元高熵合金非但没有形成脆性相,反而形成体心立方或面心立方等简单晶体结构的固溶体[1]。

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高熵合金随机固溶体晶体结构,由不同原子随机分布在每个点阵上形成的整体有规律点阵结构。



   那么其力学性能如何?



    显而易见,高熵合金展现了良好的强韧匹配,优于传统合金体系[2]。


全球首届「高熵材料国际研讨会」[3]

   高熵合金概念的提出至今已有20多年,最近关于高熵合金的研究报道也呈指数型增长。2016年11月7、8日在国立清华大学举行了全球首届[高熵材料国际研讨会],被誉为「高熵合金之父」的清华大学材料所教授叶均蔚,在对170名中外学者致词时,借「山穷水尽疑无路,柳暗花明又一村」形容这一新领域。


   目前最瞩目的研究成果是B Gludovatz等人在2014年的《Science》杂志上发表的关于CrMnFeCoNi五种成分的高熵合金的报道,从室温降到77K其伸展强度和断裂韧度值均属于现有材料记录中最高值范围,在低温下,这些值反而增加。而绝大多数合金在低温下都会失去延展性,变得更脆而易碎[2]。在2016年发表在《Nature》上的研究表明,由铁、锰、钴、铬组成的高熵合金在冷轧退火之后,强度和延性同时大幅度提高到800MPa和近0.8,远远超过了钛合金和其他合金体系。此外,它颠覆了传统合金性能特点:高强度往往塑性较差。此合金在强度为800MPa时仍具有超过70%的应变[4]。


   材料的进步最终会带来社会的进步,高熵合金最大的理论意义在于它颠覆了传统合金设计理念,想象以下,若从大约 60个商业合金中的常见元素选5个进行等比例混合,其数目将达1000多种,有如打开了一扇材料世界新的大门。但目前关于高熵合金的研究仍处于试验阶段,距离实际应用还有很长的路要走。


参考文献

[1]Yeh, J.‐W, Chen, S.‐K, Lin, S.‐J, et al. Nanostructured High‐Entropy Alloys with Multiple Principal Elements: Novel Alloy Design Concepts and Outcomes[J]. Advanced Engineering Materials, 2004, 6(5):299-303.

[2]Gludovatz B, Hohenwarter A, Catoor D, et al. A fracture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications[J]. Science, 2014, 345(6201):1153.

[3]http://www.mat-test.com/Post/Details/PT161117000030y5B8E?dn=1

[4]Z.Li,et al.Nature,2016.

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