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多主元合金的“反应减磨”机理

摩擦造成能源损耗与器件损坏，消耗了世界能源的23%，每年在全球范围内造成的经济损失高达2.5万亿欧元 [1]。金属是最常用的结构材料，因此，制造具备超高耐磨性能的金属是材料科学家长期追求的目标。金属需要具备高强度以减小摩擦过程中与对磨材料的接触面积，同时具备摩擦过程中的均匀塑性变形能力以避免发生脆性断裂。我们在前期研究中通过将TiZrNb合金作为基体，在该合金中引入大量间隙氧原子（12 at.%），实现了超高屈服强度（4.2 GPa）和优异的均匀塑性变形能力 [2]。并且进一步研发了TiZrNbAg合金，通过摩擦过程中合金表面与空气中的氧反应，原位生成一层固溶体纳米晶镶嵌于非晶基体的结构。形成此种结构的原因在于Ti、Zr、Nb与O有较大的负混合焓，因此摩擦过程中空气中的氧进入合金表面可提高其非晶形成能力。并且，Ag与Nb的混合焓为正（+16 kJ/mol），可促进固溶体纳米晶在非晶基体中的析出。因此，TiZrNbAg合金在空气中摩擦实验时在表面原位生成纳米双相晶体-非晶氧化物，其具备比初始合金更高的屈服强度（2.4 GPa）和良好的塑性（20%均匀塑性形变）。该合金的耐磨相比于TiZrNb合金（相同实验条件下摩擦时仅生成纳米晶）提升了2个数量级 [3]。

参 考 文 献：

[1]        K. Holmberg, A. Erdemir, Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions, Friction. 5 (2017) 263–284.

[2]        C. Liu, W. Lu, W. Xia, C. Du, Z. Rao, J.P. Best, S. Brinckmann, J. Lu, B. Gault, G. Dehm, G. Wu, Z. Li, D. Raabe, Massive interstitial solid solution alloys achieve near-theoretical strength, Nat. Commun. 13 (2022) 1102.

[3]        C. Liu, Z. Li, W. Lu, Y. Bao, W. Xia, X. Wu, H. Zhao, B. Gault, C. Liu, M. Herbig, A. Fischer, G. Dehm, G. Wu, D. Raabe, Reactive wear protection through strong and deformable oxide nanocomposite surfaces, Nat. Commun. 12 (2021) 5518.