新发现!一种合金设计的新策略、新原则

据所知,目前不存在某种设计具有特定机械性能的合金通用方法。这是由于从合金冶炼到最终产品制造的过程影响机械性能的一组异质变量的分析尚未解决。为了创建设计各种机械性能合金的通用方法,必须列出决定机械性能的因素和变量的总和。

来自俄罗斯的Tula State University(图拉国立大学)的一项最新研究表明:原则上这个问题可以通过以下方式来解决,在一个共同的参照系中分析所有的强化机制,参照单一的因素,从金属化和共价的广义程度上来分析同一参考框架中的所有强化机制,来表征整个结构特征合金所有相中的原子间键。即表征合金的整体金属性和共价性的广义度以及合金所有相中的原子间键。由于这些因素与机械性能的相关性,因此能够通过各种机制改善合金硬化。从能量的观点来看,这些因素对应于合金中所有化学键的总能量中金属键和共价键能量的比例。相关论文以题为“Refection ofstrengthening results in values of generalized degrees of metallicity andcovalence is principle to new strategy of designing alloys”于2月6日发表在Scientific Reports。

论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41598-020-58560-z

在这项工作中,相关研究人员根据认知科学“自下而上”的原则来考虑所提出的方法,通过表征整体的金属性和共价性的广义程度以及合金所有相中的原子间键,发现由于这些因素与机械性能的相关性能够通过各种机制改善合金硬化。从能量的观点来看,这些因素对应于合金中所有化学键的总能量中金属键和共价键能量的比例。通常,对于合金基体原子与合金元素和杂质的不同原子间原子键,可通过公式确定键的金属度,共价度和离子度。

在该项研究成果中,研究者考虑了许多特定的示例,这些通用性的金属度和共价度通常表征合金各相中的整个原子间键集合,并通过与以下机械特性的相关关系得到完善:固溶硬化和沉淀硬化的结果(可能考虑到应变硬化和晶界硬化的结果);淬火强化的结果(分析铁和碳原子之间键的共价度后,得出了马氏体硬度与钢中碳浓度之间的数学函数关系);结构的特征,即纳米结构的形式(碳与铁的各种小规模簇状)和微观结构的类型。

新发现!一种合金设计的新策略、新原则

从以上所述可以看出,金属的原子能级结构的参数也可以通过与金属的机械性能相关性来影响其影响的结果(如化学成分和元素分布、结构和相组成,缺陷的影响,从合金的熔炼到产品制造等涉及的工艺过程等等),这些因素决定了产品中的这些特性。也就是说,原子能级能够发挥共同参照系的作用,在参照系中我们可以比较所有这些因素的作用和相互作用之间的关系,以及各种强化机制的作用。显然,所考虑的理论和实验(局部原子构象研究)方法的结合使用具有新结构材料设计的良好前景。(文:冯冯)

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