中美研究人员发现利用梯度结构技术可实现材料性能定制

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导读:汲取骨骼和竹的结构灵感,美国北卡罗州立大学和中国科学院力学研究所的研究人员联合研究发现,通过逐渐改变金属的内部结构,可以针对各种应用——从防弹衣到汽车零部件,实现更强、更韧材料的定制。 在显微镜下观察金属,会看到它是由数百万密密麻麻的颗粒组成。这些颗粒的大小及排布影响金属的物理特性。金属表面的晶粒使金属硬度加强,但也使其韧性降低。研究人员发现在材料中逐渐增大晶粒尺寸,可以使金属更具延展性。这类似于一个骨竹秆横截面的结构尺寸和分布变化。总之,大小晶粒的逐渐转变使得整体材料更强、更韧,这种特征的
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汲取骨骼和竹的结构灵感,美国北卡罗州立大学和中国科学院力学研究所的研究人员联合研究发现,通过逐渐改变金属的内部结构,可以针对各种应用——从防弹衣到汽车零部件,实现更强、更韧材料的定制。

在显微镜下观察金属,会看到它是由数百万密密麻麻的颗粒组成。这些颗粒的大小及排布影响金属的物理特性。金属表面的晶粒使金属硬度加强,但也使其韧性降低。研究人员发现在材料中逐渐增大晶粒尺寸,可以使金属更具延展性。这类似于一个骨竹秆横截面的结构尺寸和分布变化。总之,大小晶粒的逐渐转变使得整体材料更强、更韧,这种特征的组合是常规材料不可能实现的。

这称之为梯度结构,可以用这种技术来实现金属性能的定制。研究人员在各种金属,包括铜,铁,镍和不锈钢中测试梯度结构的概念。该技术改善了所有这些金属的性能。研究小组还在工业中用到的无间隙原子(IF)钢上测试了这种方法。

如果常规IF钢强度达到450兆帕,延展性就会非常低——断裂伸长率低于5%。低延展性意味着材料容易发生灾难性故障,如突然折成两半。高韧性材料可以拉伸,这意味着在完全失效之前给人们时间去应对这个问题。研究人员创建了一个具有梯度结构的IF钢:强度达到了500兆帕,断裂伸长率达到了20%。

梯度结构的方法,也可以使材料更耐腐蚀,磨损和疲劳。研究人员认为这是材料研究中一个令人兴奋的新领域。它有许多应用,可以很容易地、低成本地纳入到工业生产过程中。

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