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驗室（PNNL）的科學家們發(fā)現(xiàn)，使用固相處理方法來制造具有改進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構的原子水平。本月在《通訊材料》上發(fā)表了一項新研究。
縱觀整個歷史，從青銅時代到鐵器時代，再到近代，金屬生產中可能的技術在很大程度上都局限于以下過程：首先將金屬熔化，然后進行大量耗能的步驟，以達到生產合金，最終生產有用的產品。基于熔體的加工方法非常成功，但是在可制造的金屬合金和復合材料的種類以及可達到的性能方面受到限制。
在固相處理中，金屬不熔化，而是承受機械剪切力。這會混合金屬以生成合金或復合材料，以局部修改材料的性能，或在兩種材料之間產生焊接。剪切涉及在金屬或材料彼此相對滑動時施加壓力。這會產生摩擦，從而產生熱量，從而使材料結合并轉變。
這項研究的重點是輕質鋁硅合金，廣泛用于國防，航空航天和汽車行業(yè)。該團隊使用剪切力在納米級上重組合金。 PNNL材料科學家阿倫·德瓦拉杰（Arun Devaraj）表示，硅的分布在原子水平上發(fā)生了變化，因此其微觀結構比常規(guī)生產的相同材料堅固得多。
“我們分析了剪切力如何引入分層的納米結構，” Devaraj說。 “壓縮測試表明，與通過鑄造形成的相同合金的微觀結構相比，剪切產生的納米結構具有幾乎兩倍的強度。” Devaraj和他的團隊在剪切前后，用鑄造合金制成了微柱，并測量了壓縮每組所需的力。
在鋁硅合金的結合中，鋁是一種柔軟，敏感的材料。硅易碎且堅硬，容易斷裂。在實驗之前，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。
該團隊使用EMSL的原子探針層析成像和電子顯微鏡技術（環(huán)境分子科學實驗室，美國能源部PNNL的DOE科學辦公室），觀察了剪切力如何改變合金的微觀結構。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（藍色）中硅（紅色）的獨特分布。這種納米級的分布是通過剪切變形實現(xiàn)的，這導致了合金的更高強度。 （照片由 Arun Devaraj 提供 | 太平洋西北國家實驗室）
了解極限剪切變形對金屬合金微觀結構的影響對于優(yōu)化新型固相材料加工方法至關重要。對于摩擦學領域，這也是有用的知識，它涉及兩個相對運動的表面之間的相互作用，例如滾珠軸承和其他運輸中使用的設備。
PNNL的固相加工科學計劃（一項實驗室投資）為這項研究提供了資金，這是其努力的基礎，旨在增進對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行業(yè)有所作為 ，包括航空航天，運輸，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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