科学家发现锰钢的结构变化

2018-05-16

em马克斯普朗克研究所的科学家揭示,金属的晶体结构可能会在线性缺陷处发生变化,这会影响材料的性能。 / em

钢铁已经存在了大约3000年,今天有数千种变化 - 但它总是令人惊喜。杜塞尔多夫Max-Planck-Institute for Eisenforschung的科学家们现在已经在锰钢中发现了一种被认为会影响材料性能的好坏的锰钢。他们发现合金在线性缺陷处形成不同于晶体结构的典型材料。构成任何金属的单个晶粒可以被认为是单个原子层的堆叠。线性缺陷,或者更确切地说是边缘位错,当一个层保持不完整时,就会发生线性缺陷,使得它上下的层必须迈出一步。由于一立方米钢中的线性缺陷的长度可累积达一年,所以此发现应具有重大的实际意义,因为钢的结构取决于其它因素,如何具有可塑性,刚性和延展性 - 材料科学家希望不断优化的特性。

脱臼可以拯救生命。这源于这样的事实:当材料发生变形时,金属中的一维缺陷起着重要作用:例如,当车身面板在事故中坍塌时,因此吸收了很大一部分冲击能量并希望保护乘客从受伤。在这种情况下,位错作为金属弯曲的纳米铰链。因此,晶体结构与线性缺陷周围的结构不同的事实也应该影响金属如何变形。在最坏的情况下,它会流泪而不是变形。 “我们还不知道材料中空间受限的化学和结构状态对其性质有什么影响,”Max-Planck-InstitutfürEisenforschung主任和该研究的负责人Dierk Raabe说,微观结构刚刚曝光。

“我们更偶然地偶然发现了各州,”迪尔克拉贝说。例如,他和他的团队一直在研究一种特别刚性和韧性的锰钢的微观和纳米结构,这种锰钢借助纳米粒子得到了加强,并用于大型飞机的起落架。他们利用原子探针断层扫描技术分析了这种材料。分析涉及一个样品被一个电压的短脉冲原子级蒸发。从飞行时间到探测器,可以确定汽化的分离原子属于哪个元素;它在样品中的位置可以从原子撞击探测器的位置确定。

研究人员在钢中发现了富含锰的纳米珠链

“我们注意到,在我们加热材料后,锰的浓度沿着特定线条增加,”对该研究做出重要贡献的Dirk Ponge解释说。锰收集的细管只有两纳米宽。这不是沿着整个长度发生,而是以富含锰的纳米珠链的形式发生。

为了在这些微小区域内容纳大量的锰原子,材料的晶体结构必须改变。铁和锰原子通常位于立方晶胞的角落和中心,这是最小的结构单元。研究人员称之为体心立方或马氏体结构。纳米珠链中的锰浓度对应于其中原子位于单位晶格的每个面和角上的布置,在技术上,是面心立方或奥氏体结构。

以前,材料科学家只知道二维形式的金属的规则晶体结构偏离,即从形成材料的单个晶粒的边界出发。但是他们为什么在个别马氏体晶粒内部发现细晶奥氏体组织? “当我们看到锰在细管中堆积时,我们认为可能存在沿线性缺陷的空间限制的化学和结构状态,”Dirk Ponge说。

缺陷处的不同晶体结构有助于节约能源

为了确定,他和他的同事们首先在透射电子显微镜下扫描了铁锰样品,这使线性缺陷清晰可见。然后他们借助原子探针断层扫描再次绘制样品中原子的分布。在这两种方法的叠加图像上,他们实际上确实发现了富含锰的纳米珠子如何精确地沿着线性缺陷排列。

Dirk Ponge说,这些观察结果也说明了原子沿着位错与剩余晶体精确排列的不同之处:“位错的应力特别高。 “这种材料显然可以减少压力,因此通过在那里形成晶体结构而呈现出更加有利的状态,否则在能量上会不那么有利。”根据这一发现,杜塞尔多夫的研究人员扩展了材料科学家使用的一个关键公式来计算材料在哪些结构缺陷条件下有利于哪种结构。

大马士革钢铁能够自己锻造吗?

研究人员首先用热来调动原子,以便原子可以假设那里的能量更有利的结构,直接在错位处,并且仅在那里。 “这并不意味着只有在施加热量时才会形成空间受限的化学和结构状态,”Dierk Raabe说。因此,这些状态不仅可能发现在电动机的气缸,涡轮机的叶片或其他永久受到高温的材料中。 “Dierk Raabe解释说:”像碳这样的小原子比锰的原子更易流动。 “因此,我们必须假设,我们也会在含碳车身钢板中发现空间受限状态。”

研究人员现在想调查局部结构变化对材料性质的影响。 “我们的发现可能有助于解释已知的金属行为 - 事实上,例如,金属在腐蚀和吸收氢气时会变脆,”Dierk Raabe说。

然而,当线性缺陷的晶体结构脱节时,并不总是坏消息。 “也许我们可以有意地将这些空间上受限制的国家纳入其中,以便开发一种可以锻造自己的纳米大马士革钢材,”马克斯普朗克主任说。大马士革钢铁公司因其通过大马士革来到欧洲而得名。东方的专家工匠们将坚硬但易碎的韧性软钢锻造成复合材料,但材料坚硬但不易折断。将来,如果可以使用错位来帮助提供结构,则可以找到一种简单的方法来组合这些实际不相容的属性。这将为钢铁行业开发全新的可能性,以更有针对性的方式优化特殊应用的材料。

出版物:M. Kuzmina等人,“线性肤色:位错处的受限化学和结构状态”,科学2015年9月4日: 349没有。 6252第1080-1083页; DOI:10.1126 / science.aab2633

Source:Max Planck Institute