处理金属材料以优化其应用性能的新方法VIP免费

一些固体金属以各种结构形式存在，这种现象称为多态现象。例如，铁在室温下采用一种类型的立方晶格（α-铁），但在高于912°C时会转变为另一种（γ-铁）。这是一个相变的例子-在温度或压力逐渐变化的过程中，材料的原子结构发生突然变化。长期以来，将与碳合金化的铁从高温快速冷却时发生的γ-转变为α-铁已被用来生产坚硬的钢。相比之下，纯铁柔软而易延展。Meiners等人在《自然》中撰文。1个报告指出，在构成大多数纯金属的微小晶体之间的界面上，也可能发生多态相变。这一发现提出了一种处理金属材料以优化其应用性能的新方法。绝大多数的固体金属及其合金是多晶体-数十亿个被称为晶粒的微小单晶的集合，它们被晶界隔开。这些边界通常是导“”致材料变脆并破裂的薄弱环节。但是，它们也可以用于增强材料，因为某些晶界有效地阻止了位错滑动（金属可塑性的基本机制，涉及晶格缺陷的运动）。大约一个世纪前，人们认为2晶界是约一微米厚的非晶层。但是，现代显微镜工具发现3，这些边界处扭曲的原子结构只有几埃斯特龙厚，可与原子间的距离相媲美。现在还已知，大多数晶界的原子结构可以被认为是某些原子结构单元4的周期性排列，也就是说，晶界可以被认为是具有自己的原子结构的二维晶体，与它们分离的谷物的结构有很大不同。一个关键问题是这些2D结构是否经历与相邻晶粒中的相变无关的相变。对于由两种或两种以上成分组成的合金，答案是肯定的。这样的相变已被广泛地表征在实验中，并通过理论和计算模型已经描述5，6。这种情况是为纯金属不太清楚：间接证据7，8暗示，相变是可能在纯锡和铜的晶界，但没有直接观察已作出。观察晶界原子结构的变化是一项艰巨的任务，因为仅需要改变晶界上原子的微小位移即可改变其结构，并且原子在晶界中的移动要比晶粒9中快得多。Meiners等。现在报道，晶界相变发生在纯铜中。作者研究了在超净条件下沉积在蓝宝石衬底上的铜薄膜中的几个晶界，以排除杂质的任何潜在影响。他们使用扫描透射电子显微镜直接成像了薄膜样品中原子列的位置。它们的原子分辨率图像揭示了在两个具有相似几何参数的晶界中两个不同原子结构的共存，这在相变过程中是可以预期的。作者根据其中的原子形成的图案将这些结构称为多米诺和珍珠相（图1）。然而，仅此观察并不能构成相变的证据，因为两相中的一相可能处于高度不稳定的状态，该状态在铜膜的沉积过程中形成，并在冷却时保留在固态膜中。因此，作者在晶粒边界的原子计算机模拟中使用机器学习方法（进化算法）获得了进一步的证明，该晶粒边界具有与实验观察到的边界相同的几何形状。模拟表明，珍珠相对应于晶界的最低能态，而多米诺相则处于亚稳态。模拟结果还表明，当应力垂直于模拟晶界的平面施加时，亚稳态的多米诺骨相稳定。Meiners和同事的工作清楚地证明了相变发生在纯金属的晶界中，从而为材料设计开辟了新的机会。散装金属的多晶型物可能的数量一般限于，但品种晶界结构和它们的可能的多晶型物的亚稳态的（有时被称为肤色6）基本上是无限的10，11。因此，可以设想一种处理技术，该技术通过产生晶界相（稳定或亚稳）来优化材料的整体性能，该晶界相可以使边界的正效应最大化，而将其负效应最小化。例如，如果可以在铝中产生晶界多晶型物，从而有效地阻止位错滑动（以最大化机械强度）并最小化电子散射（以最小化电阻率），则所得金属将成为制造架空导“”线的理想材料电源线-无需使用更昂贵的铝基复合线。但是，是否可以在实践中实现晶界上工程相变的全部潜力还有待观察。原因之一是不清楚如何设计产生所需晶界相的加工方法。此外，一种称为晶界工程12的类似概念（使用加工方法来获得具有所需几何形状和特性的晶界，而无需使用相变）至今仅产生了适度的实际结果。另一个问题是，大量可能的晶界多晶型物将使系统地确定多晶型物的性能变得困难。高通量基于机器学习和大数据的计算方法将是帮助在这里1，13。的确，Meiners和同事的工作是一个有前途的例子，说明高分辨率显微技术和计算方法的协同结合如何导致晶界研究的概念性突破。