一种利用氧化物颗粒强化金属的新方法（一种利用氧化物颗粒强化金属的新方法）

一种利用氧化物颗粒强化金属的新方法（一种利用氧化物颗粒强化金属的新方法）首先，将块状合金置于特定的气氛条件下，使其迅速发生内氧化；然后，采用一种称为深度塑性变形的工艺，使合金内部产生的氧化物颗粒均匀分布和细化。 材料科学工程教授和他的课题组研究出一种在块状合金中弥散分布氧化物颗粒的两步法工艺。

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像铁和铝这样的金属在我们周围这个现代世界中随处可见——从汽车到风力涡轮机——因为它们是强度高、重量轻、成本低的材料。但是，当这些金属遇热后，它们的机械性能和强度将会受到影响。因此，在不断发展的行业中，比如发电和化工，对于能够耐受高温的先进结构材料的需求持续增长。

图1. 像铁和铝这样的金属在我们周围这个现代世界中随处可见——从汽车到风力涡轮机——因为它们是强度高、重量轻、成本低的材料。

为了满足对于耐热材料的需要，研究人员开发了一种利用氧化物颗粒强化金属的新方法。

材料科学工程教授和他的课题组研究出一种在块状合金中弥散分布氧化物颗粒的两步法工艺。

首先，将块状合金置于特定的气氛条件下，使其迅速发生内氧化；然后，采用一种称为深度塑性变形的工艺，使合金内部产生的氧化物颗粒均匀分布和细化。

Webler以铁铝合金为例作了解释说明。“如果您拿一种铝原子溶解在铁基体中的块状材料，把它放在合适的气氛条件下，就能在铁基体内部生成很小的氧化铝颗粒，”Webler说。“通过使这些细小的氧化物颗粒均匀地分布在金属基体中，您就得到了一种比金属本身性能更好的复合材料。这些氧化物非常稳定，在高温下不会发生变化。”

Webler在大学进行的研究重点考察金属与环境的反应。一个简单的化学反应从另一面给这项工作带来了新的启示。

“当研究人员在考察金属怎样和周围环境反应时，他们往往是设法防止发生对材料结构有潜在危害的反应。但是，我们同样可以在金属处理中把化学反应作为改善材料性能的一种手段，”Webler指出。

该方法为现有的氧化物颗粒金属强化方法提供了一种独特而可行的选项。目前，氧化物弥散强化(ODS)合金都采用粉末冶金工艺制造，将金属粉末和氧化物粉末混合后加热加压使粉末颗粒固结。

Webler研究出的块状合金ODS方法可以用于多种合金体系，但课题组首先选择了铁-钇体系作为基础研究的样板（图2）。

图2. 采用等通道转角挤压工艺进行深度塑性变形处理后的铁-钇氧化合金的扫描电镜照片(放大倍数5 000x)。浅色区域是Y2O3，灰色基体是铁。研究的目标是使Y2O3在铁基体中尽可能均匀地弥散分布。

铁-钇合金的内氧化速度很快，对于获得氧化行为数据十分有利。目前，课题组正在为达成多项主要研究目标而加紧工作。

课题组正在研究氧化速度，还在设法对氧化物颗粒的弥散水平进行更好的量化。另外，Webler也在和卡内基梅隆大学的同事、材料科学工程助理教授Yoosuf Picard合作研究材料的表征技术。Picard正在研究的一个课题是，怎样更深入地了解氧化物颗粒改变金属行为的机理。

虽然尚处在研究阶段，但这种块状合金处理方法的成本明显低于粉末冶金，工艺控制也将更精确。

附文：实验室揭开材料的秘密

Adam Dove

在1915年，威廉·亨利·布拉格爵士和他的儿子威廉一起获得了诺贝尔奖，这是诺贝尔奖首次颁发给材料表征技术。

布拉格父子利用X射线分析了岩盐的晶体结构，这是第一种被分析出来的晶体结构。他们的成功揭开了探索材料表征领域的序幕，使人类能够深入研究材料的内部结构——微观结构和化学组成——以揭开它们的秘密。

透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)如今是材料研究的首选工具。这些价值数百万美元的复杂设备需要经过充分培训才能使用。

图3. 卡内基梅隆大学材料表征实验室拥有材料结构和成分表征需要的各种显微镜、分光计和衍射仪，让使用者能够以全新的方向进行材料表征。

在大学的材料表征实验室(MCF)，学生和教师们能够接触到所有目前最先进的材料表征技术。实验室也欢迎来自其他大学和业界的用户。

“微观结构使材料表现出了特定的性能，”卡内基梅隆大学材料科学工程教授、MCF联合主任Marc De Graef说。“如果我们能够了解微观结构，我们就能开始考虑如何改变它以影响材料的行为——让它强度更高，导热性更好，更耐腐蚀，或者具有其他您需要的性能。”

MCF拥有材料结构和成分表征需要的各种显微镜、分光计和衍射仪，让使用者能够以全新的方向进行材料表征。

材料科学工程专业的博士研究生Isha Kashyap就是一个典型例子。

Kashyap的研究方向是铁磁性形状记忆合金的结构。通过使用洛伦兹透射电子显微镜(LTEM)——美国的大学仅有的几台LTEM之一——Kashyap研究了这些合金的缺陷和质量。它们被用在磁致伸缩执行器中，这是一种将能量转化为运动的装置。

“执行器的性能取决于合金的性能，而合金的性能取决于原子水平上的相互作用。这些相互作用只有使用具有纳米级分辨率的功能强大的仪器才能观察到，”Kashyap解释说。

Saransh Singh是计算研究的例子，他花了3年的时间来开发扫描电镜观察到的图像和衍射图谱的模拟软件。Singh在网上免费提供自己编写的定制软件，它能够预测材料表征实验的结果，无需使用昂贵的高性能显微镜进行材料分析。

Singh的软件有很多用途，其中之一是工业应用。

制造商经常需要开发一种自己想要使用的材料，但它们必须保证材料具有期望的性能。此外，它们还需要保证材料在整个寿命期内始终表现出可预测的行为。MCF的仪器和Singh的软件配合使用，能够得到预测材料将来的行为所必需的信息。

“MCF的仪器对我的工作太重要了，”Singh说。“我能立刻检查我的理论，确认它是否正确。您可以提出任何您希望的理论，但除非您得到了实验的验证，否则它对任何人都毫无用处。”

在短短的4年内，材料表征实验室就促成了超过320篇研究论文在同行评审期刊上的发表。