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我院研究生探索新一代超级钢神奇性能之谜初有成果

发布时间:2014-04-10    作者:--    来源:--     浏览次数:

近日,中南大学材料学院一年级研究生杨力通同学撰写论文“Trapping helium in Y2Ti2O7 compared to in matrix iron: a first principles study”(铁基体和Y2Ti2O7氦捕获对比性的第一性原理研究), 从能量学和化学键角度初步揭开了新一代超级钢神奇性能之谜。

大家通常听说的“超级钢”,主要是在普通低碳钢基础上,通过高纯化和晶粒超细化技术,使材料基本消除宏观偏析,晶粒细化到1个微米左右,大幅度提高钢的强韧性。日本在上世纪末,首先把这种强度翻番、寿命翻番的新钢铁材料称为超级钢。而近年来迅速发展起来的新一代超级钢,其准确称谓是“纳米特征铁素体合金(NFA)”。该合金通过特殊粉末冶金制备技术,获得大量纳米尺度的析出结构,连同铁素体基体所获得的细晶组织超高位错密度,使该材料实现远超过其他铁基合金的高温蠕变强度断裂韧性。时间退火800ºC100 MPa4万小时纳米析出结构晶粒尺度不发生明显粗化位错密度变化也很小。材料结构和性能能够长期保持稳定,服役寿命因而大大延长特别地,新超级钢还具有一项独特的神奇性能。在核反应辐照的特殊环境中,该合金能够表现出对嬗变产物的高吸收和高耐受能力。该材料因此成为美国下一代核反应堆的理想堆体结构材料,也成为目前各国的研究热点。新一代超级钢的高温力学性能已有大量研究,相比之下,现有实验技术在铁基材料氦吸收的表征研究方面遭遇了巨大困难和挑战,使得新超级钢的这一神奇性能长期成为难解之谜。

该论文的指导老师江勇教授介绍道,这篇论文针对实验表征研究的困难,选择采用第一性原理计算研究手段,对嬗变产物氦在铁素体基体和纳米析出相Y2Ti2O7中的缺陷结构和能量展开预测和对比评估,研究结果首次为新超级钢这一独特性能给出了清晰解释:相比于铁素体基体中的空位,氦极容易被Y2Ti2O7中的填隙位捕获;一旦被Y2Ti2O7捕获,惰性元素氦的化学活性被激发,可以与近邻氧离子之间发生电荷转移,体现化学吸附的本质;大量氧化物颗粒以纳米尺度在铁基体中高度弥散且稳定的分布,客观上帮助实现了氦在合金中的高度分散;氦被大量弥散的氧化物颗粒优先且稳定地捕获,有效抑制了氦在铁基体中团聚,进而形成超临界尺度的氦泡、直至空洞等不可逆缺陷(“氦致脆”)的可能。该论文投送美国物理研究会著名期刊《Journal of Applied Physics》后,立即获得匿名评审专家的好评和喜爱,根据专家建议稍作调整后,即刻被正式接收,并将于近期发表。

      据悉,杨力通同学早在大二便加入了江勇老师课题组。大四期间即在材料科学与工程类顶级刊物《Acta Materialia》发表第一作者论文一篇,“Nonstoichiometry and relative stabilities of Y2Ti2O7 polar surfaces: a density functional theory prediction”Y2Ti2O7极性表面非化学计量比和相对稳定性的密度泛函研究)。江勇教授介绍说,这两篇论文工作的相关性很高。新接收的论文是前一篇论文工作的自然延续和深入,但意义更大。下一阶段研究任务将集中于Y2Ti2O7界面研究,即氦被Y2Ti2O7界面捕获的可能性及其影响,进而揭示界面氦泡的形成、生长、演变规律,和最终命运。这一系列研究将有助于实现对该材料服役寿命的科学预测。

    有关计算材料表面与界面研究组的更多信息,可以访问主页:http://cmsi.csu.edu.cn/

           

    图为江勇教授课题组成员,杨力通同学位于第二排右一



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