今日Science转换新思路：用更简单方法提高合金的可持续性

【引言】

在青铜时代早期（公元前约4000年），用锡和铅合金化使铜硬化，这是最早记录的通过调整成分来提高材料性能的例子之一。如今，从喷气发动机到计算机芯片的许多高性能应用都使用合金，合金可能包含元素周期表中的几乎所有元素。然而，增加合金材料中成分的种类使其生产和回收更加困难，并面临着稀有或稀有来源元素资源枯竭的危险。合金化策略的可持续性是许多材料系统普遍存在的问题之一。大量的工作集中在减少合金化，特别是替代材料中有毒和稀有元素。合金化通过改变主元素的微观结构来改变材料的性能。例如，钢通常通过与铬和镍等元素合金化来增强。在这种情况下，合金化通过形成抵抗位错滑移的结构来强化钢，这一过程使钢更容易弯曲，因为它允许金属原子穿过构成材料的微晶（晶粒）的内部位置。合金化可以产生界面牢固的强相来阻挡位错运动，可以产生具有内应力的固溶使位错滑移更加缓慢，也可以产生两种微观结构。然而，通常通过处理材料以改变微晶之间的区域—晶界（GBs），可以在不改变材料的化学组成的情况下创建定制的微结构。由于GBs阻碍了位错运动，因此减小微晶尺寸（晶粒细化）会使金属和合金硬化。通过对工程材料中的组合应变移位，调整GBs的空间分布可以提高材料的力学性能和摩擦学性能。这些非合金化方法在高级材料中的广泛应用受到可调性能的类型和范围的限制。当晶粒尺寸下降到亚微米尺度以下时，金属的晶粒细化强化就会停止，软化就会发生。

【成果简介】

今日，在中科院金属研究所、兰州理工大学李秀艳研究员和中科院金属研究所卢柯研究员团队（共同通讯作者）带领下，研究发现，目前许多研究的重点是稳定纳米晶粒，利用其抑制位错成核的能力，提供一种不同于合金中位错滑移阻力的强化机制。金属中的纳米结构可以通过创造低能界面（如孪晶界或小角度晶界）或通过适当的GBs偏析来实现动力学稳定，从而达到热力学稳定。最近，一项实验研究表明，晶粒在临界尺寸（铜约为70 nm）以下的应变会触发金属中自发的GB弛豫。这个过程伴随着GB能量的大幅降低。早期的一份报告显示，随着纳米尺度的孪晶从石墨烯中释放出来，沿着石墨烯的原子扩散明显受到延迟。在热活化和机械活化条件下，自发的GB弛豫可以显著提高纯金属纳米颗粒的稳定性。这些突破突出了通过纯化提高材料性能的新机遇，其中通过在不同长度尺度上定制稳定的界面来实现具有较少合金化含量或甚至纯元素的传统或新材料的前所未有的性质。与传统合金相比，由于采用了新的强化原理，且界面效应大大增强，使得纯化材料具有更好的性能和性能。通过调整稳定界面的数量、结构和分布，可以极大地扩展材料的性能变化窗口。在固定了材料的化学成分或几何形状，调整材料的性能可以允许修改材料的局部性能（例如在表面层中）或产生按需特性的组件。当结构长度尺度向结晶度极限减小时，界面效应被放大。相关成果以题为“Improving sustainability with simpler alloys”发表在了Science上。

【图文导读】

图1 纯化合金元素提高性能

材料的性能通常是通过与其他元素的合金化来稳定晶粒间的界面来提高的。通过减少或不添加合金元素来调整稳定的界面，纯材料实现了这一目标，从而提高了资源的可持续性。

文献链接：Improving sustainability with simpler alloys（Science，2019， DOI:10.1126/science.aaw9905）

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。