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驳斥70年来预测材料微观结构的方法

综合 时间:2021-10-08 12:00:49 匿名用户

卡内基梅隆大学的科学研究人员说,一个70年前用来预测材料微观结构的模型不适用于今天的材料。卡内基梅隆大学和阿贡国家实验室开发的显微镜技术产生了与传统模型相矛盾的证据,并为使用新型表征预测新材料的性能以及安全性和长期耐久性指明了方向。

如果一位冶金学家发现了一种可以显著提高飞机性能的合金,那么乘客可能需要长达20年的时间才能登上这种合金制成的飞机。由于无法预测材料在受到加工或日常使用的压力时会发生怎样的变化,研究人员通过反复试验来确定材料的安全性和耐久性。这一漫长的过程是材料创新的一个重要瓶颈。

卡内基梅隆大学材料科学与工程系和物理系的格雷戈里·罗勒(Gregory Rohrer)和罗伯特·苏特(Robert Suter)教授发现了新的信息,这些信息将有助于材料科学家预测材料的特性是如何随着温度升高等应激源而变化的。他们使用近场高能衍射显微镜(HEDM)发现,已建立的预测材料微观结构和性能的模型不适用于多晶材料,需要一种新的模型。

在眼睛看来,工业和消费设备和产品中最常用的金属、合金和陶瓷似乎是均匀的固体。但在微观层面上,它们是多晶的,由大小、形状和晶体取向不同的颗粒聚集体组成。晶粒通过晶界网络连接在一起,晶界在受到应力时发生移动,从而改变材料的性能。

当他们制造一种新材料时,科学家需要控制其微观结构,包括其晶界。材料科学家操纵晶界密度以满足不同的需要。例如,汽车座舱周围的结构由超高强度钢制成,其晶界比汽车前端褶皱区的美观车身面板多。

在过去70年中,研究人员使用一种理论预测了材料的行为,该理论认为晶界在加热材料中移动的速度与晶界的形状有关。Rohrer和Suter已经证明,这个描述最理想情况的理论并不适用于真正的多晶体。

多晶体比过去研究的理想情况更加复杂。Rohrer解释说:“如果考虑晶体中的单个晶界,它可以不间断地移动,就像一辆汽车在空旷的道路上行驶一样。在多晶体中,每个晶界平均与其他十个晶界相连,因此就像汽车撞上交通一样,它不能再如此自由地移动。因此,这个模型不再适用。”最重要的是,Rohrer和Suter发现,通常多晶晶界甚至没有按照模型预测的方向移动。

HEDM是Suter及其同事利用阿贡国家实验室的先进光子源(APS)开发的一项技术,是这些发现的关键。HEDM及其相关技术使研究人员能够对数千个晶体进行无损成像,并测量它们在不透明金属和陶瓷中的取向。这项技术需要高能X射线,只能从世界上少数几个同步加速器源中的一个获得。

苏特说:“这就像是拥有3D X射线视力。”。“以前,如果不将材料分割开来,就无法观察材料的晶粒。HEDM允许我们无创地观察晶粒方向和边界随时间的演变。”

HEDM的发展始于大约20年前,一直持续到今天。Suter的小组与APS的科学家合作,开发了同步收集材料样品在强入射光束中进行精确旋转时的数千张X射线衍射图案图像的程序。Suter研究小组开发的高性能计算机代码将图像集转换为构成材料微观结构的晶粒的三维地图。

十年前,Suter的研究小组(包括物理学研究生Chris Hefferan、Shiu Fai Li和Jon Lind)在连续高温处理后反复测量镍样品,从而首次观察到单个晶界运动。这些运动未能显示70年前理论预测的系统行为。卡内基梅隆大学研究人员在科学论文中提出的观点将晶界结构与HEDM实验数据中观察到的系统行为相关联。

虽然目前的分析基于单一材料镍,但X射线衍射显微镜正在许多材料上使用,Rohrer和Suter认为,其中许多材料将表现出与镍相似的行为。其他材料加工条件的类似应用也正在研究中。

这项研究是由美国国家科学基金会的设计材料革命和工程未来计划(DRMEF)资助的。从2021年10月1日起,该团队的四年期补助金续期180万美元。卡内基梅隆大学土木与环境工程系Kaushik Dayal、材料科学与工程系Elizabeth Holm和数学科学系David Kindlehrer也将参与下一步的研究,研究多晶体在不同材料中如何以及为什么会有这种行为。卡尔·克里尔教授(德国乌尔姆大学)和阿曼达·克劳斯教授(佛罗里达大学)也是合作的一部分。

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