苏珊·鲍尔，太平洋西北国家实验室 材料科学家阿伦·德瓦拉杰和巴拉特·瓜拉尼(前景)使用销盘式摩擦计来赋予材料剪切变形
学分:阿伦·德瓦拉杰|西北太平洋国家实验室 寻找新的、低成本的方法来制造更好的金属合金和复合材料是材料研究界的一大难题
美国科学家
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能源部西北太平洋国家实验室(PNNL)发现了许多使用固相加工方法制造具有改进性能的材料的成功案例
为了理解发生了什么和为什么，他们一直在观察材料微观结构的原子层面
最近的一项研究发表在本月的《通讯材料》上
纵观历史，从青铜时代到铁器时代，再到现代，金属生产的可能技术在很大程度上被限制在金属首先熔化，然后经过许多能量密集型步骤来生产合金和最终有用的产品的过程中
基于熔体的加工方法已经非常成功，但是它们在可制造的金属合金和复合材料的种类以及可获得的性能方面受到限制
在固相加工中，金属不会熔化，而是受到机械剪切力
这将混合金属以形成合金或复合材料，局部改变材料性能，或在两种材料之间产生焊接
剪切包括在金属或材料相互滑动时施加压力
这会产生摩擦——从而产生热量——来结合和转化材料
这项研究集中于广泛用于国防、航空航天和汽车工业的轻质铝硅合金
该团队使用剪切力在纳米水平上重组合金
根据PNNL材料科学家阿伦·德瓦拉杰的说法:“硅的分布在原子水平上发生了变化，使得微结构比传统生产的相同材料更加坚固。”
原子探针断层扫描揭示了硅(红色)在高度精炼的铝基质(蓝色)中的独特分布
这种纳米级的分布是通过剪切变形来实现的，这导致合金具有更高的强度
学分:阿伦·德瓦拉杰|西北太平洋国家实验室 “我们分析了剪切力是如何引入分级纳米结构的，”德瓦拉吉说
“压缩测试表明，与通过铸造形成的相同合金的微观结构相比，通过剪切形成的纳米结构具有几乎两倍的强度
“德瓦拉杰和他的团队在剪切前后用铸造合金制作了微柱，并测量了压缩每组所需的力的大小
在铝硅合金的婚姻中，铝是柔软而敏感的
硅又脆又硬，有破裂的趋势
在实验之前，铸造合金硅颗粒很小——平均约10微米——并且分布在大得多的铝颗粒之间
利用EMSL环境分子科学实验室的原子探针断层扫描和电子显微镜，研究小组观察了剪切力如何改变合金的微观结构
硅颗粒破碎成越来越小的碎片，直到几乎溶解在铝中
铝颗粒变得更小了
作为剪切变形的结果，铝和硅相显示出增加的混合
了解极端剪切变形对金属合金微观结构的影响对于优化新型固相材料加工方法至关重要
它也是摩擦学领域的有用知识，摩擦学研究两个相对运动的表面之间的相互作用，如滚珠轴承和其他运输设备
PNNL的固相加工科学倡议是一项实验室投资，资助了这项研究，作为其努力的一部分，以促进对固相材料合成途径的基本理解，并使人类能够制造下一代材料和部件，这些材料和部件可以在多个行业产生影响，包括航空航天、运输、能源和金属回收
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