發布時間：2023年2月20日
已經查看了319次
在體心立方（BCC）金屬中引入間隙元素（例如鐵中固溶氧、碳、氮），是大幅提升強度的有效方法。近期，西安交大劉暢研究員等通過將大量間隙氧原子（12 at%）固溶進TiZrNb系中熵合金，將其屈服強度提升至接近理論強度的4.2 GPa（C. Liu et al.Nat. Commun.13, 1102 (2022)）。固溶強化效果與間隙原子在晶格中的位置有關。教科書中認為，對于BCC間隙固溶體（比如碳溶于鐵而形成的鋼），間隙原子位于BCC晶格的八面體間隙位置而不是空間更大的四面體間隙位置（其半徑約為前者的兩倍），引起不對稱的晶格畸變，有效阻礙位錯的運動從而提升材料強度。然而，在透射電鏡下很難直接觀察到金屬晶格中原子序數很低的間隙原子，且易受樣品表層雜質（如氧化層）的干擾。對間隙原子及其所占位置直接而可靠的觀察，將有助于揭示間隙固溶BCC合金的結構特性，促進新一代高強度金屬材料的研究與開發。
西安交通大學材料創新設計中心（CAID）劉暢研究員和馬恩教授在上述高濃度間隙固溶中熵合金（(TiZrNb)86O12C1N1(at%) (O-12)）基礎上，與清華大學于榮教授團隊合作，應用清華自主研發的自適應傳播因子疊層成像技術（H. Sha et al.Sci. Adv.8, eabn2275 (2022)），直接觀察到了間隙固溶中熵合金中的氧原子及其選擇性間隙占位。研究發現，氧原子在晶格中的占位與其含量直接相關，高濃度時，氧原子主要位于BCC晶格的四面體間隙位置，而非傳統認為的八面體位置。原因在于，當大量間隙原子溶入后，多數金屬（溶劑）原子都會受到溶質原子影響而產生位移，偏離點陣位置，因此，容納間隙原子時導致的晶格畸變與所需的應變能，四面體間隙已不再明顯高于八面體位置。在此情況下，間隙原子轉而傾向于選擇空間更大的四面體間隙位置。
圖1 O-12合金的電子疊層成像相位圖直接觀測到高濃度時氧間隙原子傾向于占據四面體間隙位置 a) 具備深亞埃分辨、深度分辨、取向校正的自適應傳播因子疊層成像技術（adaptive-propagator ptychography，APP）示意圖。該技術在掃描透射電鏡中逐點采集衍射圖，通過數值重構獲得樣品的結構信息。b)BCC晶體模型，顯示八面體與四面體間隙位置。c-d)在[011]帶軸觀察O-12合金的圖像。該區域內氧間隙原子位于四面體間隙而非八面體間隙位置。
該工作以《直接觀察BCC固溶體合金中的間隙原子占位》（Direct Observation of Oxygen Atoms Taking Tetrahedral Interstitial Sites in Medium-Entropy Body-Centered-Cubic Solutions）為題發表于國際著名期刊《先進材料》（Advanced Materials）。西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室為論文第一作者單位和第一通訊單位。劉暢研究員（西安交大）、崔吉哲博士生（清華）、程志英高級工程師（清華）為論文共同第一作者。馬恩教授（西安交大）和于榮教授（清華）為論文共同通訊作者。其他作者還包括張博召博士生（西安交大）、張思源博士（德國馬普所）、丁俊教授（西安交大）。
來源：西安交大新聞網 日期：2023-02-20 14:12