Zuurstof is een overvloedig element dat ongewenste onzuiverheden of keramische fasen in metalen materialen kan vormen, terwijl het doteren van het element op metaal de ondergrond bros kan maken. Tijdens interacties met metaallegeringen, zuurstof neemt een toestand aan tussen oxidedeeltjes en vaak voorkomende willekeurige interstitials om geordende zuurstofcomplexen te vormen. In een nieuwe studie, materiaalwetenschappers Zhinfeng Lei en collega's merkten op dat, in tegenstelling tot traditionele interstitiële versterking, dergelijke geordende interstitiële complexen zouden legeringen met hoge entropie (HEA's) kunnen vormen met een ongekende verbetering in sterkte en ductiliteit in compositorisch complexe vaste oplossingen. Toen de wetenschappers een model TiZrHfNb HEA dopen met 2,0 atoomprocent (2 at%) zuurstof, ze observeerden aanzienlijk verbeterde treksterkte en ductiliteit, het doorbreken van een al lang bestaand conflict over de afweging van sterkte en ductiliteit.

Techniek sterk, taaie (schadetolerante) materialen vereisen traditioneel een compromis tussen hardheid en vervormbaarheid. In de nieuwe studie zuurstofcomplexen werden structureel geordend in nanoschaalgebieden binnen de HEA die worden gekenmerkt door zuurstof, zirkonium en titanium (O, Zr, Ti)-rijke atomaire complexen. De vorming van deze complexen werd bevorderd door chemische ordening op korte afstand tussen matrixelementen binnen de HEA's. In face-centered kubieke HEA's, Van koolstof werd gemeld dat het de sterkte en ductiliteit verbeterde door de stapelfoutenergie te verlagen en de roosterwrijvingsspanning te vergroten.

Daarentegen, geordende interstitiële complexen beschreven door Lei et al. bemiddelde een mechanisme voor het oogsten van stammen met potentieel voor specifiek gebruik in Ti, Zr, en Hf (Hafnium)-bevattende legeringen. Interstitiële elementen zijn gewoonlijk zeer ongewenst in dergelijke metaallegeringen vanwege hun verbrossingseffecten en aangezien het afstemmen van de stapelfoutenergie en het benutten van thermische overdracht niet eerder hadden geleid tot verbetering van de eigenschappen in andere legeringen. De nieuwe onderzoeksresultaten gaven daarom inzicht in de rol van interstitiële vaste oplossingen en de bijbehorende mechanismen voor het versterken van metalen materialen. Het werk is nu gepubliceerd in Natuur .

In de studie, de onderzoekers onderzochten de basislegering TiZrHfNb en de optimaal met zuurstof gedoteerde variant (TiZrHfNb) ₉₈ O ₂ (hier op aangeduid als O-2 HEA) ter vergelijking, naast een interstitiële variant met 2,0 atoomprocent stikstof (TiZrHfNb) ₉₈ N ₂ , tot nu toe aangeduid als N-2 HEA. Mechanische eigenschappen van de drie typen HEA's werden waargenomen met behulp van trekspanning-rekcurves. Een sterk versterkend effect werd waargenomen voor zowel zuurstof- als stikstof-gedoteerde HEA's. Zoals verwacht van conventionele interstitiële versterking, de taaiheid van de N-2 HEA verminderd. Toevoeging van 0,2 at% (atoomprocent) zuurstof aan de basis HEA (TiZrHfNb) verbeterde de sterkte en ductiliteit. Een substantieel werkverhardend effect werd waargenomen voor O-2 HEA in vergelijking met base-HEA en N-2 HEA, om een ​​onverwachte toename in ductiliteit aan het met zuurstof gedoteerde materiaal te verlenen. De toevoeging van meer dan 3,0 at% zuurstof, echter, leidde tot verslechtering van de waargenomen mechanische eigenschappen.

Om het onderliggende mechanisme van deze afwijking te begrijpen, interstitiële vaste-oplossing versterkend effect waargenomen met met zuurstof gedoteerde materialen, nanostructuren van materialen werden onderzocht op atomaire schaal. Voor deze, de wetenschappers gebruikten eerst synchrotron hoge-energie röntgendiffractie (XRD) patronen van de basis HEA vergeleken met de twee legeringsvarianten van O-2 en N-2 HEA. De resultaten toonden aan dat toevoeging van stikstof of zuurstof aan de basis-HEA de eenfasige lichaamsgecentreerde kubische (b.c.c) structuur niet veranderde. Deze waarneming werd bevestigd door in kaart brengen van elektronenterugverstrooiing door diffractie. In de scanning transmissie-elektronenmicroscoop hoge-hoek ringvormige donkere veld microfoto (STEM-HAADF) beelden van de O-2 HEA; lichte atomen werden in donker contrast weergegeven, terwijl zware atomen helder werden afgebeeld.

De waarnemingen onthulden gebieden met lichte atomen (Ti, Zr-rijk) en gebieden die rijk zijn aan zware atomen (Nb, Hf-rijk) in de O-2 HEA. Soortgelijke zones verschenen ook in STEM-afbeeldingen van de basis en N-2 HEA's om de chemische ordening op korte afstand tussen de metalen matrixelementen te bevestigen als een inherent kenmerk van HEA's. Tijdens vervorming in een van de drie legeringen, er vond geen fasetransformatie plaats. Ex-situ transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en in-situ mechanische testen bevestigden dat vervorming van de drie legeringen op dezelfde manier plaatsvond via het proces van dislocatie-glijden.

Statistische analyse van STEM-HAADF en overeenkomstige ringvormige helderveld (ABF) beelden die daarna werden uitgevoerd, toonden aan dat zuurstof de voorkeur gaf aan interstitiële posities naast lichtatoomrijke roosterplaatsen. Een dergelijke voorkeur werd niet waargenomen in de N-2 HEA. In overeenstemming met het door Fleischer voorgestelde versterkingsmodel voor vaste oplossingen, de berekeningen voor O-2 en N-2 HEA's bevestigden dat hun verhardingsmechanismen van interstitiële aard waren. Nog, in tegenstelling tot traditionele interstitiële versterking die brosse legeringen de aanwezigheid van zuurstof verhoogde tegelijkertijd zowel de sterkte als de ductiliteit in de b.c.c TiZrHfNb HEA.

De belangrijkste vraag die door de substructuuranalyse wordt gesteld, is waarom de toevoeging van interstitiële zuurstof het uithardingsvermogen en de ductiliteit van de legering aanzienlijk heeft verbeterd, vergeleken met stikstofhoudende complexen. Tijdens plastische vervorming, dislocaties worden meestal opgeslagen en gerangschikt in geordende patronen in metaallegeringen. Om dergelijke dislocatiepatronen in meer detail te bestuderen, de onderzoekers voerden aberratie-gecorrigeerde STEM-karakterisering met hoge resolutie uit van voorgespannen exemplaren. Op nanoschaal is zuurstofbevattende complexen vervormden het lokale rooster ernstig, waardoor er een groot spanningsveld om hen heen ontstaat. Tijdens vervorming, de geordende zuurstofcomplexen (OOC's) interageerden met dislocaties zoals onthuld door STEM-afbeeldingen. Om de intrinsieke mechanismen op atomaire schaal verder te belichten, de wetenschappers voerden aberratie-gecorrigeerde STEM uit. Op dit punt, ze merkten op dat de intrinsieke kenmerken van OOC's in de O-2 HEA-legeringsvariant een hoge werkverharding mogelijk maakten als gevolg van dipolaire wanden die naar voren kwamen met toenemende spanning die uiteindelijk leidden tot een hogere ductiliteit in de met zuurstof gedoteerde materialen. Een dergelijke complexe dislocatiedynamiek werd niet waargenomen voor de N-2 HEA, resulterend in een relatief bescheiden ductiliteit.

De bevindingen van Lei et al. toonde aan dat het sterkte-ductiliteitsconflict kan worden overwonnen voor een klasse van metaallegeringen (HEA's), terwijl het een volledig nieuw type spanningsverhardend mechanisme demonstreert op basis van geordende interstitiële complexen. De resulterende hoge spanningsverhardingsreserve leidde tot verhoogde sterkte en ductiliteit. op zichzelf, de basis HEA (TiZrHfNb) is vanwege oxidatieproblemen niet geschikt voor gebruik in toepassingen bij hoge temperaturen. Legering met antioxiderende elementen zoals Al, Si en Cr zouden de weerstand tegen oxidatie met HEA's kunnen verbeteren - zoals ook eerder gezien in HEA-ontwerpen. De auteurs bevelen de toepassing van dergelijke geordende interstitiële versterkingsmechanismen aan op een breder scala van andere legeringsmateriaalklassen voor verbeterde sterkte-ductiliteit en spanningsverharding tijdens de ontwikkeling van geavanceerde materialen.

© 2018 Wetenschap X Netwerk