神奇的金属混合物

合金是最早的人造材料。混合铜与锡创建青铜和锋利的边缘,它永远地改变了人类启用。青铜时代标志着文明的开始在全球各个角落:贸易将金属矿石从遥远的矿山、技术(第一个化学家)冶炼和锻造,农业革命和战争。和合金继续推动历史。在19世纪,转炉炼钢法将杂质从钢铁和开启大规模工业化。在1950年代,由于冷战角逐更快和更轻的间谍飞机、真空冶金和锻造方法下惰性氛围导致钛合金的商业化——重量轻,高强度组件的现代飞机、航天器、汽车和消费电子产品。

许多人认为,我们正在经历第二合金材料的革命。

近年来,只有我们有工具来理解原子论的规模结构和设计我们想要的,而不是与我们生活有“大卫·拉格说在英国德比,劳斯莱斯的材料专家。“这是彻底改变我们的合金,我们如何处理它们。它将产生新材料应用我们还没有梦想。

有许多团体在工业和学术界已经在使用这些工具去追逐下一个超级材料,”说大卫染料在英国伦敦帝国理工学院的。每年成千上万的合金是专利。现在的大多数钢铁出售,价值,使用作品,仍在专利——不到20岁。”

在许多工程应用中,所面临的挑战是创建一个材料,保持其结构和性能在整个产品的生命周期。“住疲劳,响应材料时举行一个温和的负载很长一段时间,对涡轮叶片变得尤为重要和引擎组件,“染说。高海拔的飞行员需要飞机快速节省燃料,所以他们呆在高功率第一起飞后20分钟或更多。防止结构变化是很重要的在压力下的组件仍在攀升。住疲劳的来源似乎是特定的原子尺度结构的变化。的居住行为可能会强烈影响合金的热处理。我们认为这是由于短程订购-集群的铝原子导致混乱的方式,改变介质的变形、行为,说染料。这是合金的微观行为的理解革命推动今天的合金。

速度等于小

一个关键解锁原子尺度变形的合金,与改进的性能和设计新材料,是更快的描述。的线性的斯坦福大学-世界上最强大的x射线激光提供10 fs脉冲的时间分辨率。光只旅行3µm,”拉格说。

染料表示赞同:“x射线通量每18个月翻一番。这是15年来快1000倍,我们可以创建视频而不是静态图像。我们可以执行nanoindentation实验和从衍射峰获取信息而缩进。很的东西。”

我们需要了解如何设计整个属性集,不只是力量

大卫染料

拉格认为特定值的原位测量合金强调,像实时缩进衍射实验。“如果你只是研究材料已经变形前后你不能告诉如何变形发生,”他说。“就像试图了解催化反应的机制,如果你只知道反应物和产物。

新的分析功能,以及计算机模拟的见解,提供了一个道路材料改善住疲劳行为。当材料开始变形,结构移动半原子面线缺陷。辨认这些部分混乱是控制变形和关键步骤,成为裂缝,染料解释说。

染料在使用这些见解来测试新材料。“你需要一个平衡的力学性能,”他解释说。高强度,但也低蠕变和抗疲劳强度同住。我们需要了解如何设计整个属性集,不仅力量——我们可以做,如果我们有一个原子的尺度的理解机制。

设计的改变

强大的合金,能抗拒改变并不是唯一感兴趣的领域。理查德•詹姆斯在美国明尼苏达大学,正在积极材料:铁磁赫斯勒合金的磁性随温度的变化。“磁晶格参数非常敏感,离子之间的距离,特别是锰离子,”他说。我们研究的合金非磁性的低温阶段,但高温阶段是一个强大的磁铁,几乎如铁,在相同的温度下。”

詹姆斯预计申请这些材料在发电厂、地热发电和收割废热在消费类电子产品。如果你周围的合金小线圈通过相变和热它,突然改变磁化线圈电流感应,”詹姆斯说。”在这一过程中,合金吸收潜热并把它变成电。即使是最现代的太阳能电池阵列使用沸水和蒸汽涡轮机这样做——17世纪的技术。我们积极的合金更有效和可调谐即使很小的温度变化来获得能量。

面临的挑战是使磁结构和非磁性结构之间的过渡尽可能高效。詹姆斯说,“这是一个几何问题。如果两个阶段配合完美的晶体结构没有压力过渡层相变发生。如果结构匹配密切,有更少的区别发生相变的温度加热和冷却,称为磁滞。我们可以得到一个滞后的2或3°C,这是值得注意的是,和过渡变得高度可逆的。我们的目标是1000万年磁性周期与一个巨大的变化。”

合金设计的理论基础是证实完全匹配的接口显示时使用电子显微镜。和潜在的活性合金不切换磁铁。我们可以设计材料在导电的哪一个阶段,另一种是绝缘体;或材料与可切换的电介质,”詹姆斯说。我们可以想象如何使用这种材料的能量转换的应用程序。

形状记忆

在等量合金、镍和钛形成一个独特的化合物,通常被称为镍钛诺,展品形状记忆特性:你可以弯曲,扭曲或变形,然后加热,恢复原来的形状。这种效应的核心是一个可逆的晶体结构的变化。在高温合金有一个立方结构,称为奥氏体,与纯钛性能相似。在一定温度下,自发地变换更对称结构(马氏体),可变形像灌了铅一样容易。的任何变形合金在马氏体结构时失去了它返回再次高温奥氏体结构。

你可以调整转变温度略高于环境温度和诱导转换仅仅通过装卸和弹性恢复的10%以上,”汤姆Duerig说的创始人镍钛诺设备和组件总部位于加州,美国。把这个超弹性的角度来看,钢铁可能多达1%恢复。”

合金本身被意外地发现了在1960年代早期。形状记忆效应立即吸引研究人员和大量的政府和行业研究项目产生数以百计的专利在接下来的几十年,但没有人会如何处理这些材料。到了1980年代,这是一个“贱民”:寻找一个问题的解决方案。直到1990年代早期,起飞,最后发现公司在医疗器械行业。

有两个问题在最初的那些日子里,“Duerig评论。“这是非常昂贵的生产。似乎总有更便宜的方式完成工作。但更重要的是,合金的性能高度依赖温度——你需要一个明确的和热环境控制。人类的身体是完美的。不仅是温度不变,它是温度对镍钛诺支柱。虽然成本很重要,医疗设备往往是小和工程师愿意支付的性能。

镍钛诺的第一个大胜利在医学领域是支架——一个小装置限制导管,插入病变的动脉,然后释放superelastically扩大和道具打开动脉。一旦到位,支架生物相容性及生理相配的是天生的动脉。镍钛诺已成为医疗设备工程师,主要材料用于几乎所有领域,从整形外科神经放射学。

合金设计

创建新的合金历来是一个缓慢的、迭代过程能够探索只有一小部分可能的材料。高性能合金可以包含多达12个不同的组件,所以即使你只考虑当前作文范围可能合金的数量超过1亿。一旦确定了候选成分,铸造,锻造,并测试其属性——是耗费时间;和优化生产需要更长时间。“我可以看看每年大约20,“染说。“你控制一切的出版社,”他解释说。有几个博士的工作设计新材料的锻造工艺。我只是专利第一合金,我38岁。

第二个关键设计下一代的合金,超越当前的开发周期,并确定全新的材料成分目前远未被探索,将计算机建模。一个已经成功的策略是开始从一个巨大的数据库的二进制系统的相图和物理特性。热力学和机械的模型描述,例如,位错的能量影响蠕变行为——然后用来预测阶段的行为,微观结构和性能的三元或更高的合金。QuestTek创新在伊利诺斯州,美国,开创了这种方法,他们藉著铁基合金已用于飞机起落架自2010年以来。

建模需要去原子论的模拟

大卫·拉格

近年来取得了显著的进步也被身体可塑性的基础模型。传统工程方法假设均匀,各向同性,行为的材料,但新模型描述多晶金属变形是由结晶学定义滑系统的拉格说。的这种差异对预测合金的耐久性至关重要核和航空部件,目前评估通过漫长而昂贵的组件测试。

但很明显,在实验描述,最大的增益将会在原子尺度。建模需要去一些味道的原子论的模拟。因素限制在原子尺度的流动混乱,但他们有宏观的后果,比如材料应变率的敏感性和脆塑转变,”拉格说。

2003年研究人员发表了一篇论文提出的设计基于预测的钛合金d-electron能级和债券的订单。他们提出了一种新的变形机制、新的科学超级属性。它引起了很多的兴奋,“染料回忆说。我们可以设计合金纯粹从密度函数理论?”

10年后,梦想是成为现实。原子尺度建模成为设计过程中不可或缺的一部分,尤其是对材料在具有挑战性的环境中持续的性能是至关重要的,如核电站。研究人员身为Culham融合中心的能量在英国使用的电子结构计算预测力学性能和辐照条件下相变材料。材料设计公司总部位于美国新墨西哥州,从头开始计算结合经典分子动力学研究燃料棒。我们已经看到特定的成功建模锆合金用于在核反应堆燃料棒包壳,”埃里希威默说,总统的材料设计。“我们预测的影响等合金元素铌的各向异性扩散界面和聚合的缺陷在晶体结构:合金变形和失败的一个原因。”

然而,拉格确实看到挑战广泛的工业应用。很多行业没有能力进入原子论的规模结构,除非他们刚刚完成博士学位的人,”他警告说。的只是过渡的技术工业应用的物理学家。你需要知道如何表达问题,需要皮肤问题的根本问题。

挑战和奖励

新的实验和建模能力是推动信封在合金设计,但拉格有一些担忧资金优先级。的研究人员花了几十年,数百万了解裂纹增长,但很少疲劳裂纹初始首先,”他说。哗众取宠的研究旨在实现属性的材料,只有在短长度尺度“工作”,但基本的限制扩大,潜在的破坏性的公众认知材料社区和研究经费政策,”他警告说。我们需要关注是什么在阻止我们散装合金。关注的好处,可以利用一个巨大的范围的产品影响我们的生活每天都如汽车、飞机、建筑和能源生产。

但是很多人,行业和政府的最高水平,加速和扩大材料的前景感到兴奋的发现。美国总统巴拉克•奥巴马(Barack Obama)支持材料基因组计划与这一目标在2011年。

我们的供应链公司问,“给你做了所有的工作研究晶体纹理和原子的结构,你能告诉我们你理想的材料是什么?“拉格说。“我还不知道,但我们已很接近。我们知道小很好:小微晶,小沉淀。我们可以研究负载政权提供高速、高频描述,并提出方法来阻止裂纹萌生,”他说。

我们确实是处于该阶段的革命。

菲奥娜是位于圣地亚哥的科学作家