开发提高强度和延伸率的“合金设计”方案：“有望解决现有结构材料难题”

by Jeong Ilwoong

Published 14 Jul.2024 11:49(KST)

在国内，应用自旋odal强化法的高强度·高延伸率合金设计方法已经被提出。

“延伸”是指加热金属被拉长的长度概念，高强度同时实现高延伸率的合金设计一直被视为如同“矛与盾”般难以兼得的课题。

但随着一种能够同时满足这两种特性的合金设计方法被构想出来，有评价认为这也为下一代高性能材料开发亮起了绿灯。

韩国研究财团12日表示，由浦项工科大学 Kim Hyeongseop、Heo Yunuk 教授与美国西北大学 Farahnaz Haftlang 博士组成的共同研究团队，成功设计出了在提高强度和延伸率（将加热金属的最大伸长量与原始长度之差除以原始长度并以百分比表示的数值）方面同时取得改善的中熵合金，从而解决了结构材料领域长期存在的难题。

中熵合金是在没有主元素的前提下，将多种元素以相对均衡的比例混合，从而呈现出较高的混合熵。通过自由调控合金元素的种类和含量，可以提升合金的强度、延性、耐蚀性与电磁特性等，这是一大优势。

以铁（Fe）为基础的中熵合金，因其高强度、高延伸率及优异的耐蚀性等物理性能而备受关注。

研究团队开发的中熵合金显微组织示意图和拉伸性能示意资料。韩国研究财团提供

然而，为了克服较低屈服强度（在物体发生变形之前所能施加的最大应力），必须利用析出强化（从金属固溶体中析出并长大的第二相晶体的现象）。但析出相与基体组织结构不同，由于相容性差异，会导致延伸率下降，这是其局限所在。此外，为获得析出相所需的工艺复杂，并且需要精细的热处理，这也成为充分利用中熵合金的一大障碍。

因此，有观点一直指出，为在铁基中熵合金中获得优异的力学性能，有必要开发一种在不降低延伸率的前提下提高屈服强度的新型强化机制。

反映这一需求，共同研究团队提出，用自旋odal强化取代传统的析出强化，可以设计出兼具高强度和高延伸率的中熵合金。自旋odal分解是指，当固溶体处于某一特定温度与成分范围内的热力学不稳定区域时，自发分解为两种不同相的现象。

首先，共同研究团队通过热力学平衡相图计算与实验，不仅预测了析出相生成的成分和温度条件，也预测了发生自旋odal分解的成分与温度条件。

此外，通过实验确认，即便不经过以往制备析出相所需的复杂工艺，仅通过低温热处理也能在整个基体中均匀形成纳米尺度的自旋odal分解成分分离。

在这一过程中，共同研究团队介绍称，发生自旋odal分解的试样相比未发生自旋odal分解的试样，其屈服强度提高了187%（1.1GPa），同时仍保持了较高的延性（28.5%），从而获得了高强度·高延性的中熵合金。

Kim Hyeongseop 教授表示：“本研究的意义在于，在成分复杂的合金中验证了自旋odal结构的力学性能。高强度·高延伸率合金有望广泛应用于航空航天、汽车、能源、电子产业等领域，为产品的轻量化和耐久性提升作出贡献。”