【材料科技】相變誘發塑性雙相高熵合金:高強度又具延展性的新金屬

■這個名稱看起來很奇怪的合金技術再一次突破傳統材料科學的限制。

Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: [Nature] (DOI: :10.1038/533306a)
Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: [Nature] (DOI: :10.1038/533306a)
撰文|方程毅

我們都知道金屬具延展性,但在許多應用中我們也希望金屬能夠具有高強度,因此材料科學研發出各種方法來強化金屬,例如使用合金、加工硬化或析出硬化等等。但這些方法都有一個共同的特點:強度與延展性不可兼得。一旦強度增強,延展性就會變差。美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)及德國馬克斯·普朗克學會(Max-Planck-Institut für Eisenforschung)最近發表了一項新研究,讓金屬的強度及延展性能夠兼顧。

金屬的強度代表能夠承受多大的應力,而延展性則代表在材料破裂前能夠產生多大形變。延展性跟強度兼顧有什麼好處呢?試想一輛車的鋼板,如果強度高延展性卻很差,固然可以承受一定程度的撞擊,但一旦超過臨界值就會整個破裂;而如果強度低但延展性佳就像坐在橡膠裡面,車體是不會破裂,但遭撞擊後板金凹進來,人就被擠扁了。所以我們需要能承受較大應力且又不容易破裂的材料,一方面能承受應力,一方面也不容易破裂。

這項研究使用的材料稱為「相變誘發塑性雙相高熵合金」(transformation-induced-plasticity-assisted, dual-phase high-entropy alloy),名字看起來怪可怕的,但其實這個合金主要就是由兩個概念構成:「相變誘發塑性」及「高熵合金」。

「相變誘發塑性」簡單來說,就是材料受到形變時會產生相變化,這個相變化會讓材料的塑性變強,也就是延展性變佳。「相」是原子排列的方式,固態材料中原子排列的方法不同即代表不同的相,而延展性的機制是材料組成原子之間能互相滑移卻不破裂,相變化產生的缺陷即能夠幫助原子滑移,增加塑性。在這項研究中,金屬的排列原本為體心立方堆積(face-centred cubic),但在拉伸形變時會有一部分轉為六方最密堆積(hexagonal close-packed)。

「高熵合金」是另一個有趣的現象,一般來說合金會使金屬的延展性變差,但是強度變強。而且合金系統大多是一個金屬為主,另一個為輔,例如鋁合金就是在鋁中加入其他金屬;K金便是在金中加入其他金屬,以改變主體金屬本身的性質。但「高熵合金」是將四到五種以上的金屬混在一起,每種金屬最高含量不超過35%,也就是說並不是以某種金屬為主體,而是「共產」,數量上追求平等。「高熵合金」中「熵」這個字(entropy),在熱力學上是亂度的意思,所謂「高熵」是指亂度大。金屬種類多,且每個金屬的比例都差不多,使得原子的排列組合方式變多,在統計熱力學上的意涵就是亂度大。高熵合金會讓金屬原子們形成一個均勻的「相」(傳統合金常會因為添加物濃度不同而形成不只一個相),這樣的合金強度強,且延展性也比傳統合金好。高熵合金的例子各種各樣千奇百怪,簡單的例子就像CuCoNiCrAlFe或 \ CuCo_{0.5} Ni_{1.2} CrAl Fe_{1.5}

再回到本文介紹的研究,他們使用的系統為 \ Fe_{80-x} Mn_{x} Co_{10} Cr_{10} ,藉由調整錳的含量可以讓高熵合金產生兩個相,一是體心立方堆積,另一種是六方最密堆積。當受到形變時,便會有部分區域從體心立方變為六方最密堆積,相較於一般的高熵合金只有一個相,雙相的高熵合金便可以同時具有「相變誘發塑性」及「高熵合金」的性質,讓其既具有延展性又有高強度。

帶領研究計畫MIT的Cemal Cem Tasan教授表示:「這種含鐵錳鈷鉻的合金超越了以往只有單相的高熵合金,其具有卓越的強度及延展性。」Tasan教授在研究過程中發現單相高熵合金並無法真正達到其所宣稱的強度及延展性,也因此有了雙相合金的想法。這個聰明又有創意的想法開啟了材料發展的新領域,也因此登上了所有研究人員夢寐以求的Nature期刊。值得一提的是:高熵合金的概念最初是由新竹清華大學材料系葉均蔚教授在2004年時提出,可是說這領域的開創者,Nature期刊也在這期對高熵合金進行相關報導,國內多家媒體也有關注這則消息,讓我們期待這個技術能夠有更廣泛的應用吧!

原始論文:Li, Z., Pradeep, K. G., Deng, Y., Raabe, D., & Tasan, C. C. (2016). Metastable high-entropy dual-phase alloys overcome the strength–ductility trade-off. Nature.

參考資料:

  1. MIT NEWS:New metal alloys overcome strength-ductility tradeoff
  2. Lim, X. (2016). Mixed-up metals make for stronger, tougher, stretchier alloys.Nature533(7603), 306-307.
  3. 葉均蔚、陳瑞凱 “高熵合金”《科學發展》2004年 5月,377期 16-21頁
  4. Tanaka, K., and Y. Sato. "A mechanical view of transformation-induced plasticity." Ingenieur-Archiv 55.2 (1985): 147-155.
  5. Ye, Y. F., et al. "High-entropy alloy: challenges and prospects." Materials Today (2015).
  6. 蘋果日報<高熵合金之父貢獻大 登頂尖期刊專題報導
  7. NOWnews<台灣獨創高熵合金 榮耀國際全球注目
  8. Yahoo新聞<台灣獨創高熵合金 榮耀國際全球注目

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作者:方程毅 台大材料畢,目前於UCSD博士班掙扎中。科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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