最新《Nature Communications》：多元素共生策略为金属材料穿上“抗疲劳铠甲”

导语近日来自香港城市大学、哈尔滨工业大学深圳、中国科学院等单位的联合研究团队在这一领域取得了革命性突破。他们成功研发出一种新型的多元素共生金属间化合物MSIMA不仅强度惊人其抗疲劳性能更是刷新了世界纪录仿佛为金属材料披上了一件“永不疲倦”的铠甲。技术突破那么这支中国团队是如何破解这一难题的呢答案是让无序与有序共存。他们设计了一种新型的多元素共生金属间化合物通过精确调控合金成分(Co₄₇Ni₃₀Ti₄Al₁₀Ta₄V₅)₉₉B₁和热处理工艺创造出一种微观世界里的“核壳”结构内核是高度有序的L1₂型超结构晶粒负责提供高强度。外壳是仅2纳米厚的无序界面纳米层像一层柔软的缓冲垫包裹在晶粒周围。这种结构实现了“有序”与“无序”在纳米尺度下的奇妙共生。听起来像是科幻小说不这是实实在在的材料科学突破数据惊艳比强度本身更能抗疲劳那么这种新材料的性能到底有多强让我们来看几组数据1.超高强度优异塑性屈服强度高达1020兆帕均匀延伸率达到33%这意味着它不仅强度惊人还具有良好的塑性——这在传统金属间化合物中是罕见的组合2.破纪录的抗疲劳性能疲劳极限达到惊人的1100兆帕相比传统同类合金抗疲劳性能提升3.7倍最关键的是它的疲劳极限超过了自身的屈服强度比值达到1.1这意味着在低于其屈服强度的循环应力下这种材料几乎“永不疲劳”。这在绝大多数结构材料中是极为罕见的“反常现象”。意义这项研究的意义远不止于发布一组漂亮的数据。1.突破瓶颈颠覆认知它首次证明通过精巧的界面结构设计可以彻底解决金属间化合物固有的脆性和疲劳性能差的百年难题颠覆了“有序合金必然疲劳性能差”的传统认知。2.设计新范式研究提出的 “多元素共生”与“界面无序化” 的设计策略为下一代高性能结构材料的研发提供了全新的思路。这意味着我们可以像搭积木一样在原子尺度上定制材料的性能。3.应用前景广阔这种集超高强度、良好塑性和吉帕级抗疲劳性于一身的“全能型”金属在航空航天发动机叶片、核能系统、高端汽车制造等对材料可靠性要求极为严苛的领域拥有不可估量的应用潜力。从“脆弱的心脏”到“强大的芯”中国科学家用微观世界的精巧设计为我们展示了材料科学的无限可能。或许在不久的将来由这种“永不疲倦”的金属制造的部件将默默守护着每一次的远行与探索。图1晶粒尺寸为0.8±0.36μm的超细晶多元素共生金属间化合物UFG-MSIMA的微观结构图2MSIMAs卓越的拉伸和疲劳性能图3UFG-MSIMA合金与(Co₇₆Ti₂₄)₉₉B₁合金的疲劳断口形貌图4在最大应力(σmax)为1,300MPa条件下UFG-MSIMA样品的疲劳变形微观机制【注】小编水平有限若有误请联系修改若侵权请联系删除