剪切力如何使好的金屬材料變得更好
2020-11-16 9:17:49
來源：蘇珊·鮑爾（Susan Bauer），PNNL
尋找新的，低成本的方法來制造更好的金屬合金和復(fù)合材料是材料研究界的圣杯之一。美國能源部太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，使用固相處理方法來制造具有改進(jìn)性能的材料已取得了許多成功。為了了解發(fā)生了什么以及為什么發(fā)生，他們一直在凝視材料微觀結(jié)構(gòu)的原子水平。本月在《通訊材料》上發(fā)表了一項(xiàng)新研究。
縱觀整個(gè)歷史，從青銅時(shí)代到鐵器時(shí)代，再到近代，金屬生產(chǎn)中可能的技術(shù)在很大程度上都局限于以下過程：首先將金屬熔化，然后進(jìn)行大量耗能的步驟，以達(dá)到生產(chǎn)合金，最終生產(chǎn)有用的產(chǎn)品�；谌垠w的加工方法非常成功，但是在可制造的金屬合金和復(fù)合材料的種類以及可達(dá)到的性能方面受到限制。
在固相處理中，金屬不熔化，而是承受機(jī)械剪切力。這會(huì)混合金屬以生成合金或復(fù)合材料，以局部修改材料的性能，或在兩種材料之間產(chǎn)生焊接。剪切涉及在金屬或材料彼此相對(duì)滑動(dòng)時(shí)施加壓力。這會(huì)產(chǎn)生摩擦，從而產(chǎn)生熱量，從而使材料結(jié)合并轉(zhuǎn)變。
這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是輕質(zhì)鋁硅合金，廣泛用于國防，航空航天和汽車行業(yè)。該團(tuán)隊(duì)使用剪切力在納米級(jí)上重組合金。 PNNL材料科學(xué)家阿倫·德瓦拉杰（Arun Devaraj）表示，硅的分布在原子水平上發(fā)生了變化，因此其微觀結(jié)構(gòu)比常規(guī)生產(chǎn)的相同材料堅(jiān)固得多。
“我們分析了剪切力如何引入分層的納米結(jié)構(gòu)，” Devaraj說。 “壓縮測(cè)試表明，與通過鑄造形成的相同合金的微觀結(jié)構(gòu)相比，剪切產(chǎn)生的納米結(jié)構(gòu)具有幾乎兩倍的強(qiáng)度。” Devaraj和他的團(tuán)隊(duì)在剪切前后，用鑄造合金制成了微柱，并測(cè)量了壓縮每組所需的力。
在鋁硅合金的結(jié)合中，鋁是一種柔軟，敏感的材料。硅易碎且堅(jiān)硬，容易斷裂。在實(shí)驗(yàn)之前，鑄造合金硅顆粒很�。ㄆ骄s10微米），分布在更大的鋁晶粒中和晶粒之間。
該團(tuán)隊(duì)使用EMSL的原子探針層析成像和電子顯微鏡技術(shù)（環(huán)境分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，美國能源部PNNL的DOE科學(xué)辦公室），觀察了剪切力如何改變合金的微觀結(jié)構(gòu)。硅粒子破碎成越來越小的碎片，直到它們幾乎溶解到鋁中。鋁晶粒變得小得多。由于剪切變形，鋁相和硅相均顯示出增加的混合。
原子探針層析成像揭示了高度精制的鋁基質(zhì)（藍(lán)色）中硅（紅色）的獨(dú)特分布。這種納米級(jí)的分布是通過剪切變形實(shí)現(xiàn)的，這導(dǎo)致了合金的更高強(qiáng)度。 （照片由 Arun Devaraj 提供 | 太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室）
了解極限剪切變形對(duì)金屬合金微觀結(jié)構(gòu)的影響對(duì)于優(yōu)化新型固相材料加工方法至關(guān)重要。對(duì)于摩擦學(xué)領(lǐng)域，這也是有用的知識(shí)，它涉及兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面之間的相互作用，例如滾珠軸承和其他運(yùn)輸中使用的設(shè)備。
PNNL的固相加工科學(xué)計(jì)劃（一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室投資）為這項(xiàng)研究提供了資金，這是其努力的基礎(chǔ)，旨在增進(jìn)對(duì)固相材料合成途徑的基本了解，并使下一代材料和組件的制造能夠在多個(gè)行業(yè)有所作為 ，包括航空航天，運(yùn)輸，能源和金屬回收。
原文網(wǎng)址：https://www.pnnl.gov/news-media/shear-force-how-good-materials-are-made-better
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