重要进展!中国散裂中子源用户实验成果首次在Science发表

中国科学院高能物理研究所
2020-05-11
来源 | 中国科学院高能物理研究所


5月8日,中国散裂中子源(CSNS)用户香港大学机械工程系黄明欣教授团队在Science在线发表题为《Making ultrastrong steel tough by grain-boundary delamination》的论文(DOI: 10.1126/science.aba9413)。


论文体现了黄明欣团队在高强高韧变形分配钢(D&P钢)的研发取得的重要进展,这也是CSNS首个在Science上发表的用户实验成果。


具有优异性能的低成本合金材料一直以来都是汽车、航空及国防等工业发展的基础与依靠。


然而,材料的强度(承载能力)和断裂韧性(抗断裂能力)往往很难同时兼顾。


黄明欣团队近年来与CSNS通用粉末衍射仪(GPPD)团队合作,对系列样品进行了系统的表征与研究,以中子衍射为研究手段,深入研究亚稳奥氏体、位错这两者在低成本D&P钢断裂行为中扮演的作用。


中子衍射具有高穿透能力、高分辨率、无损等优势,可用于分析具有织构等复杂材料的组织结构特征。在GPPD团队的支持下,黄明欣团队通过中子衍射谱有效获得低成本D&P钢的相体积分数和位错密度等重要的微观参数信息(图1)。


受GPPD数据等支持,黄明欣团队开创性地提出高屈服强度诱发晶界分层开裂增韧新机制,打破了传统的提高强度会降低材料断裂韧性的认识。并且依据此新机制获得了同时具备极高屈服强度(~2 GPa)、极佳韧性(102 MPa·m1/2)、良好延展性(19%的均匀延伸率)的低成本D&P钢 (图2)。  


D&P钢中的晶相存在大的畸变、缺陷、择优等,对中子衍射数据要求高,GPPD的高分辨率和良好衍射峰型保证了本研究所需的数据质量。


同时,GPPD为消除择优等因素对数据分析的影响,为本类实验专门设计了旋转样品杆。


GPPD是中国散裂中子源首期期建设的三台谱仪之一,自2018年运行开放以来,已经顺利完成近90项用户课题研究,多项用户实验成果已在Science、Nature Communication、Advanced Materials等期刊发表。


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图1超强钢的中子衍射图谱,在CSNS的GPPD获得


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图2 (A)三维图解模型描述了样品加载方向与D&P钢组织结构的关系。(B)工程应力应变曲线。(C)J-积分阻力曲线。



中国散裂中子源是国家“十一五”期间重点建设的十二大科学装置之首,将为中国材料科学技术、物理、化学化工、生命科学、资源环境和新能源等提供一个先进、功能强大的科研平台,由中科院和广东省政府共建,总投资约23亿元人民币。


中国散裂中子源工程2011年10月奠基,2017年8月首次打靶成功,顺利获得中子束流,2018年8月下旬通过国家验收,9月底正式对中外用户开放。


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