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Ian Baker教授:间隙强化fcc金属与合金

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文章题目:Interstitial Strengthening in f.c.c. Metals and Alloys
作者:Ian Baker
DOI:10.1016/j.apmate.2022.100034


01

研究背景


由于间隙原子在纯金属和许多传统合金中的溶解度很低(<0.1 at.%),因此其实际的强化效果的较弱。然而,近年来,人们越来越关注间隙原子(尤其是C和N),对f.c.c.不锈钢、相变诱导塑性和孪晶诱导塑性(TRIP和TWIP)钢、中熵合金(MEAs)和高熵合金(HEAs)力学性能的影响。这是因为间隙原子在这些材料中的溶解度可能很大,如在某些TWIP钢中高达5.5 at.%。因此,在这些f.c.c合金中,来自间隙原子提升的屈服强度也可能非常大。有序的f.c.c.(L12)合金可以通过间隙原子表现出更大的强化效果,例如,在Ni3Al,Ni3Si和Ni3Ge中,添加硼可以增加400-900MPa/at.%的晶格阻力。
因此,在本文中,重点介绍了间隙原子能显著提高f.c.c.合金的屈服强度和加工硬化率的实例,特别是在高熵合金、中熵合金、TWIP钢和不锈钢这几类材料中。我们认为,f.c.c.合金中间隙原子导致的屈服强度增加更适合用其含量的线性关系来描述,但由于缺乏实验研究,屈服强度和加工硬化率对晶格错配参数的影响目前尚不清楚。在f.c.c.合金中观察到的一个特征是,间隙原子的添加导致位错从交滑移到平面滑移的变化,尽管这种变化的起源尚不清楚,但这可能与层错能的变化以及其他因素有关。最后,本文展望了开发一种新的f.c.c.合金间隙强化模型的必要性。
02

创新点


1. 间隙原子显著提高f.c.c.合金的屈服强度和加工硬化率
屈服强度的增加必定与晶格错配参数相关,并且可能与层错能也有关。加工硬化率则受到晶格常数、点阵阻力和层错能的影响,后两者影响交滑移、平面滑移以及孪晶和微带的形成。除了增加屈服强度,间隙C原子的另一个特色是能增加加工硬化率,稳定塑性变形从而实现强度和塑性同时提高。
2. 间隙原子促使位错运动由交滑移转变为平面滑移
在f.c.c.合金中观察到的一个特征是,间隙原子的添加导致从交滑移变为平面滑移。平面滑移的增加可能是由于层错能的减小,导致由1/2<110>全位错分解为更宽间距的1/6<211> Shockley不全位错,从而使螺位错的交滑移更加困难。另外,短程有序(SRO)、如不锈钢中的Cr和N原子亲和性导致SRO的形成,以及间隙原子导致点阵阻力的增加,都会促使位错运动从交滑移转变为平面滑移。
03

展望



使用先进的材料表征技术,包括透射电子显微镜、原子探针、X射线衍射和中子衍射,来阐明f.c.c.合金中的间隙强化机制,间隙原子对层错能、位错滑移方式、短程有序或团簇的影响,将是一个重点研究方向。
发展力学模型来描述间隙原子的强化作用也是极为重要,这让我们能够可靠的预测材料的性能变化。同时,鉴于间隙原子的重要作用,准确测量合金的真实成分也尤为重要。
最后,在新型的f.c.c.合金(尤其是高熵合金)中,间隙强化可能是非常重要的强化来源。因此,清楚地了解间隙原子对屈服强度和加工硬化的作用将会提高我们设计此类合金的能力。
04

作者简介


IanBaker,美国常青藤名校达特茅斯学院Sherman Fairchild讲席教授,Thayer工学院资深副院长,获得奥巴马政府颁发的清洁煤炭能源研究奖。论文总引用次数超过1万次,2003年入选ISI高被引材料科学家,2009年至2020年担任国际著名学术刊物Materials Characterization期刊主编,2012年入选TMS (The Minerals, Metals & Materials Society)学会Fellow,2015年入选AAAS (American Association for the Advancement of Science)学会Fellow。主要研究方向包括材料的力学性能、相变、电子显微分析、X射线衍射分析、磁性材料、能源材料等,在Advanced Functional Materials、Acta Materialia等国际期刊发表论文百余篇,是金属材料领域的国际著名科学家。
05

文章信息


Ian Baker. Interstitial Strengthening in f.c.c. Metals and Alloys.Advanced Powder Materials.
https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100034

https://wwa.lanzouj.com/iGkXN019z2ng


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