鈦合金是廣泛應(yīng)用的重要結(jié)構(gòu)材料，從航空航天和能源基礎(chǔ)設(shè)施到生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。與大多數(shù)金屬一樣，優(yōu)化鈦的性能往往涉及兩個(gè)關(guān)鍵特性之間的權(quán)衡：強(qiáng)度和延展性。更強(qiáng)的材料往往不易變形，而可變形材料往往在力學(xué)上較弱。

最近，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員與ATI特種材料公司（ATI Specialty Materials）的研究人員合作，發(fā)現(xiàn)了一種創(chuàng)造新鈦合金的方法。這種方法可以產(chǎn)生具有卓越強(qiáng)度和延展性組合的新鈦合金，這可能會(huì)帶來新的應(yīng)用。這一發(fā)現(xiàn)已發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上。

該研究團(tuán)隊(duì)表示，這些改進(jìn)源于調(diào)整合金的化學(xué)成分和晶格結(jié)構(gòu)，同時(shí)還調(diào)整了加工技術(shù)。例如，與鋼相比，鈦合金由于其優(yōu)異的機(jī)械性能、耐腐蝕性和重量輕而變得重要。無論是在低溫還是高溫環(huán)境下，通過仔細(xì)選擇合金元素及其相對(duì)比例，以及材料的加工方式，可以創(chuàng)造各種不同的結(jié)構(gòu)，這為獲得良好的性能組合創(chuàng)造了一個(gè)巨大的空間。

為了生產(chǎn)出滿足特定應(yīng)用和特定需求的材料，合金元素比例的選擇需要采用一種方法來進(jìn)行指導(dǎo)。此次研究中描述的分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了這樣一種方法。

研究人員稱，這種設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵策略是考慮不同的尺度。一個(gè)尺度是單個(gè)晶體的結(jié)構(gòu)。例如，通過仔細(xì)選擇合金元素，可以獲得更理想的α相晶體結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)特定的變形機(jī)制。另一個(gè)尺度是多晶體尺度，涉及α相和β相的相互作用。因此，這里所遵循的方法涉及到兩者的設(shè)計(jì)考慮。

除了選擇合適的合金材料和比例之外，加工步驟也起著重要作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，一種名為“交叉軋制”的技術(shù)是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和延展性結(jié)合的關(guān)鍵。在掃描電子顯微鏡下測試了各種變形的合金，揭示了其微觀結(jié)構(gòu)如何響應(yīng)外部機(jī)械載荷的細(xì)節(jié)。由一組特定的成分、比例和加工方法參數(shù)，產(chǎn)生了一種α相和β相均勻分擔(dān)變形的結(jié)構(gòu)，減少了相之間可能發(fā)生的開裂趨勢，相位和諧變形。這種對(duì)變形的協(xié)同反應(yīng)可以產(chǎn)生優(yōu)越的材料。

觀察材料的結(jié)構(gòu)，以了解這兩個(gè)相及其形態(tài)。通過在原子尺度上進(jìn)行局部化學(xué)分析來觀察它們的化學(xué)性質(zhì)。采用了多種技術(shù)來量化材料在多個(gè)長度尺度上的各種性能。當(dāng)觀察根據(jù)其系統(tǒng)生產(chǎn)的鈦合金的整體性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些性能確實(shí)好得多。

研究人員表示，這是由行業(yè)支持的學(xué)術(shù)研究，旨在驗(yàn)證商業(yè)化合金的設(shè)計(jì)原理。這次合作的目的是為了從根本上理解晶體的可塑性。證明了這種設(shè)計(jì)策略是有效的，科學(xué)地展示了它的工作原理，但仍有很大的改進(jìn)空間。

（姚文靜 譯自ATI ）