科学家发现锰钢中的结构变化

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        钢中的结构变化：马克斯 - 普朗克研究所的科学家使用透射电子显微镜（灰色）图片，在铁的合金（Fe）和锰（Mn）中制造可见的线状缺陷。原子探针断层摄影显示出铁（蓝色）和锰原子（绿色）的分布情况。他们把绿色iso-表面放入图像，其中锰原子的浓度为12.5％。在叠加图像中，研究人员可以看出，锰原子沿着线性缺陷积聚；晶体结构的形成区别于周围的材料。
        马克斯普朗克研究所的科学家表明，金属的晶体结构可以改变线性缺陷，而这会影响材料的性能。
        在钢铁已经存在了约3000年，并历经了数千次变化的今天——然而对于一个惊喜总是好的。来自杜塞尔多夫的马克斯- 普朗克研究所的科学家，现在对于锰钢有个新的发现，这一直被认为影响材料性能的好坏。他们已经发现，与典型的材料相比，该合金沿着线状缺陷形成不同的晶体结构。组成该金属的独立晶粒，可以被认为是一个独立原子层的堆叠。线状缺陷，或更确切地说刃位错，发生于一层原子不完整的时候，使得这层的上方和下方就必须错一个位置。由于一立方米钢种的线状缺陷的长度加起来可以到一个光年那么长，这个发现应该有很大的实际意义，因为钢的结构取决于除其他因素外，如钢的延展性，刚性和韧性——这些是材料科学家想不断优化的属性。
        位错可以节约材料寿命。这源于以下事实：当发生形变时，金属中的一维缺陷扮演着重要的作用：例如，当汽车的车身板在事故中发生折皱时，位错缺陷可以吸收很大一部分冲击能量，并有希望保护乘客免受伤害。在这样的情况下，位错会作为纳米铰链沿该金属弯曲。因此，晶体结构不同于线状缺陷结构的周围，这应该也会影响金属的变形。在最坏的情况下，它会撕裂而不是变形。 “我们还不清楚材料的空间受限化学和结构状态对其性能有什么样的影响”，马克斯 - 普朗克研究所的主任DierkRaabe表示，他也是刚刚初见曙光的微观结构偏向研究的负责人。
        “我们更多的是偶然碰到了这个状态，”DierkRaabe说。他和他的团队一直在研究一个特别的刚性和韧性锰钢的微观和纳米结构，其在纳米粒子的帮助下进行了加强，可用于大型飞机起落架。他们在原子探针断层摄影术的帮助下对这种材料进行分析。该分析包括使用短脉冲电压，将一个个原子汽化的样品。从飞行时间到一个检测器，确定被汽化分离的原子属于哪个元素是可能的；其在样品中的位置，可以通过原子撞击探测器上的位置来确定。
        研究人员在钢种发现富锰纳米珠链
        “我们注意到，在我们加热材料之后，锰的浓度沿着特定的线而聚集，”为这项研究作出了重要贡献的Dirk Ponge解释道。锰中聚集的细管只有两纳米宽。而发生这种情况不是沿着整个长度，但更多的是富锰纳米珠链的形式。
        为了在这些微小区域容纳数量较多的锰原子，该材料的晶体结构必须改变。铁和锰的原子通常在一个最小的结构单元，立方晶胞的顶角和中心。研究人员称此为体心立方或马氏体组织。纳米珠链中的锰浓度对应于位于晶胞的各面和角的原子，在技术术语中，面心立方结构或奥氏体结构。
        之前，材料科学家只知道这样偏差，从金属二维形式的常规晶体结构而来，例如从独立晶粒的边界形成。但为什么他们在独立马氏体晶粒内部发现花丝奥氏体结构？ “当我们看到，锰积聚在细管中，我们产生这个想法，即空间限制的化学和结构状态可能会沿线性缺陷分布，”Dirk Ponge说。
        缺陷处不同的晶体结构有助于节约能量
        为了确认，他和他的同事首先用铁-锰的样本扫描了一下透射电子显微镜，这使得线状缺陷清晰可见。然后，他们用原子探针断层扫描绘制了样品中原子分布的谱图。然后叠加从两个方法获得的图像，他们实际上的确发现了富锰纳米珠是如何沿着线状缺陷进行分布。
        事实是，自我排列的原子与剩余的晶体显著不同，并且精确地沿着所述位错，并可由一个观察来说明：“位错的应力特别高，”Dirk Ponge表示。 “材料可以明显地减少应力，从而通过形成能量上更有利的晶体结构，来建立一个能量上更有利的状态。”在这一发现的基础上，杜塞尔多夫的研究人员扩展了这些材料科学家用来计算在这种结构性缺陷的一个关键公式，即在什么条件下这样的结构缺陷利于材料。
        大马士革钢可以打造自己？
        研究人员必须首先使用热量移动原子，从而可以假设从能量角度原子更倾向于在那里结构，直接在错位上，也只有在那里。 “然而这并不意味着，只有当施加热量时才有空间受限的化学和结构状态形成，”DierkRaabe说。因此，这些状态可能不仅在电动机的汽缸，涡轮机或其他材料永久受热的叶片中找到。 “小的原子，如碳原子，比锰的移动性要强得多，”DierkRaabe解释道。 “因此，我们必须假设，我们将会在含碳的车身钢板里发现空间的限制状态。”
        研究人员现在要研究局部结构变化对材料的性能产生什么影响。 “我们的发现可能有助于解释一些已知的金属行为——例如当金属被腐蚀和吸收氢后会变脆，”DierkRaabe说。
        但是，当晶体结构的线性缺陷突出后并不总是坏消息。 “也许我们可以为了开发纳米大马士革钢，来故意造成这些空间上的限制状态，”马普的主任说。大马士革钢的名字，是因为它通过大马士革传到欧洲。东方专家工匠将硬、易碎，韧性软的钢，锻造成硬且不容易折断的复合材料。在将来，如果位错可以被用于帮助提供一个结构，可能会发现一个简单的方法，结合这些实际上不相容的属性。这为钢铁工业开辟了全新的可能性，来优化材料用于一个更有针对性的特殊应用。