剪切力如何使好的金属材料变得更好

2020-11-16 9:17:49

来源：苏珊·鲍尔（Susan Bauer），PNNL

寻找新的，低成本的方法来制造更好的金属合金和复合材料是材料研究界的圣杯之一。美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）的科学家们发现，使用固相处理方法来制造具有改进性能的材料已取得了许多成功。为了了解发生了什么以及为什么发生，他们一直在凝视材料微观结构的原子水平。本月在《通讯材料》上发表了一项新研究。

纵观整个历史，从青铜时代到铁器时代，再到近代，金属生产中可能的技术在很大程度上都局限于以下过程：首先将金属熔化，然后进行大量耗能的步骤，以达到生产合金，最终生产有用的产品。基于熔体的加工方法非常成功，但是在可制造的金属合金和复合材料的种类以及可达到的性能方面受到限制。

在固相处理中，金属不熔化，而是承受机械剪切力。这会混合金属以生成合金或复合材料，以局部修改材料的性能，或在两种材料之间产生焊接。剪切涉及在金属或材料彼此相对滑动时施加压力。这会产生摩擦，从而产生热量，从而使材料结合并转变。

这项研究的重点是轻质铝硅合金，广泛用于国防，航空航天和汽车行业。该团队使用剪切力在纳米级上重组合金。 PNNL材料科学家阿伦·德瓦拉杰（Arun Devaraj）表示，硅的分布在原子水平上发生了变化，因此其微观结构比常规生产的相同材料坚固得多。

“我们分析了剪切力如何引入分层的纳米结构，” Devaraj说。 “压缩测试表明，与通过铸造形成的相同合金的微观结构相比，剪切产生的纳米结构具有几乎两倍的强度。” Devaraj和他的团队在剪切前后，用铸造合金制成了微柱，并测量了压缩每组所需的力。

在铝硅合金的结合中，铝是一种柔软，敏感的材料。硅易碎且坚硬，容易断裂。在实验之前，铸造合金硅颗粒很小（平均约10微米），分布在更大的铝晶粒中和晶粒之间。

该团队使用EMSL的原子探针层析成像和电子显微镜技术（环境分子科学实验室，美国能源部PNNL的DOE科学办公室），观察了剪切力如何改变合金的微观结构。硅粒子破碎成越来越小的碎片，直到它们几乎溶解到铝中。铝晶粒变得小得多。由于剪切变形，铝相和硅相均显示出增加的混合。

原子探针层析成像揭示了高度精制的铝基质（蓝色）中硅（红色）的独特分布。这种纳米级的分布是通过剪切变形实现的，这导致了合金的更高强度。 （照片由 Arun Devaraj 提供 | 太平洋西北国家实验室）

了解极限剪切变形对金属合金微观结构的影响对于优化新型固相材料加工方法至关重要。对于摩擦学领域，这也是有用的知识，它涉及两个相对运动的表面之间的相互作用，例如滚珠轴承和其他运输中使用的设备。

PNNL的固相加工科学计划（一项实验室投资）为这项研究提供了资金，这是其努力的基础，旨在增进对固相材料合成途径的基本了解，并使下一代材料和组件的制造能够在多个行业有所作为 ，包括航空航天，运输，能源和金属回收。

原文网址：https://www.pnnl.gov/news-media/shear-force-how-good-materials-are-made-better

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