2019-08-11 05:29:01
金属具有可塑性的革命性弯曲规则新方法

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近100年来,科学家们认为他们了解金属如何弯曲的一切。他们错了。

威斯康星大学麦迪逊分校的材料科学和工程研究人员证明,金属弯曲的规则毕竟不是那么坚硬和快速。他们在8月9日的自然通讯杂志上描述了他们的发现。

他们令人惊讶的发现不仅取决于以前关于金属如何变形的观念,而且可以帮助指导创造更坚固,更耐用的材料。

“这为材料设计创造了新的机会,”威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程教授Izabela Szlufarska说。 “它增加了我们可以控制的另一个参数,以实现强度和延展性。”

延展性是金属弯曲的能力。增加金属强度的大多数方法都是以牺牲柔韧性为代价的,并且随着金属变得更耐弯曲,它们更容易在压力下破裂。

然而,研究人员的新弯曲机制可能允许工程师在不冒骨折风险的情况下加固材料。

这是对美国陆军特别感兴趣的进步,美国陆军迫切需要坚固耐用的材料,以便在战区保持部队安全。

“Szlufarska教授开辟了一个全新的结构材料加工和设计探索领域,”美国陆军作战能力发展指挥部陆军研究实验室陆军研究办公室综合与处理项目经理Michael Bakas说。 “通过发挥如此高影响力的发现,Szlufarska教授可能为开发新一代先进结构材料奠定技术基础,最终可用于未来的陆军装备和车辆。”

工程师通常通过诸如冷加工或退火之类的技术来操纵金属的强度,这些技术通过称为位错的小但重要的结构不规则来发挥其作用。

“金属界的每个人都知道错位是至关重要的,”Szlufarska说。

自1934年以来,三位研究人员独立地认识到错位解释了一个古老的悖论:金属比他们的分子结构更容易弯曲 - 这通常采取定期重复三维网格的形式 - 这是一个真理。

位错是金属的其他良好有序的晶格中的微小不规则性。它们源于轻微的不匹配 - 将书页描绘成原子排,并想象在一个人插入书签的地方,整齐的纸叠如何变得如此轻微扭曲。

正常金属弯曲是因为位错能够移动,允许材料变形而不会同时撕裂其晶格内的每个单键。

加强技术通常会限制位错的运动。因此,当Szlufarska及其同事发现材料钐钴 - 即金属间的弯曲很容易弯曲,即使它的位错被锁定到位时,也是相当令人震惊的。

“人们认为,如果错位很少,金属材料就会本质上变脆,”在中国宁波工业技术研究院工作的Szlufarska实验室前科学家Hubin Luo说。 “然而,我们最近的研究表明,即使没有错位滑移,金属间化合物也可以大量塑性变形。”

相反,弯曲钐钴导致在晶格内部形成窄带,其中分子呈现自由形式的“无定形”构造,而不是金属其余部分中的规则网格状结构。

那些无定形带允许金属弯曲。

“这几乎就像润滑一样,”Szlufarska说。 “我们在模拟中预测到了这一点,我们在变形研究和透射电子显微镜实验中也看到了无定形剪切带。”

计算模拟和实验研究的结合对于解释令人困惑的结果至关重要,这就是为什么Szlufarska和她的团队特别适合揭开神秘面纱的原因。

“通过理论模拟来解释现有的实验结果往往更容易,”威斯康星大学麦迪逊分校博士后学者张宏亮说。 “在这里,我们首先从理论上预测了剪切带的存在及其在钐钴中塑性的作用;这些都是完全令人惊讶的现象。然后我们通过实验证实了这些结果,用许多不同类型的实验来检验我们的理论,并确保预测在自然界中确实可以观察到这种现象。“

研究人员计划寻找其他可能以这种特殊方式弯曲的材料。最终,他们希望利用这种现象来调整材料的强度和柔韧性。

“这可能会改变你寻找材料特性优化的方式,”Szlufarska说。 “我们知道它不同,我们知道它是新的,我们认为我们可以使用它。”

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