Onderzoekers van het Institute of Mechanics van de Chinese Academie van Wetenschappen, samenwerken met wetenschappers uit Singapore en de VS, hebben ontdekt dat precipitaten op nanoschaal een unieke duurzame dislocatiebron vormen bij voldoende hoge spanning.

De wetenschappers ontdekten dat dicht verspreide nanoprecipitaten tegelijkertijd dienen als dislocatiebronnen en obstakels, wat leidt tot een duurzaam en zelfhardend vervormingsmechanisme dat de taaiheid en sterkte verbetert. De resultaten zijn gepubliceerd in PNAS op 24 februari 2020.

In structurele materialen, weerstand tegen vervorming is van levensbelang, specifiek weerstand tegen het begin van plastische vervorming of meegeven; de spanning op dit punt vertegenwoordigt de sterkte van het materiaal. In de tussentijd, hoeveel een metaal plastisch kan vervormen - zijn taaiheid - is een andere belangrijke maatstaf. Zowel sterkte als ductiliteit zijn afhankelijk van de beweging van metaaldislocaties.

Beweging van een dislocatie wordt moeilijker als een barrière of discontinuïteit het pad van de dislocatie betreedt, dat is, de materialen zijn gehard. Onder de vele verhardingsroutines, precipitaatverharding is goed ingeburgerd en wordt veel gebruikt in technische materialen zoals Al-legeringen, Ni super legeringen, staal, en recent ontdekte legeringen met hoge entropie.

Neerslagen dienen als obstakels voor het glijden van dislocaties en veroorzaken verharding van het materiaal. Echter, ze kunnen leiden tot voortijdig falen en verminderde ductiliteit. Obstakels voor het glijden van dislocaties leiden vaak tot hoge spanningsconcentraties en zelfs microscheuren, een oorzaak van progressieve spanningslokalisatie en de oorsprong van het sterkte-ductiliteitsconflict.

Volgens de onderzoekers is de sleutel tot het verminderen van de conventionele wisselwerking tussen sterkte en ductiliteit is het gebruik van een mild maar homogeen verhardingsmechanisme bij een hoog stressniveau. Nanoprecipitaten zorgen voor een duurzaam en zelfhardend vervormingsmechanisme dat de taaiheid en sterkte verbetert. De voorwaarde voor het bereiken van duurzame dislocatiekiemvorming uit een nanoprecipitaat wordt bepaald door de roostermismatch tussen het neerslag en de matrix.

Dr. Peng Shenyou, auteur van de studie, zei:"Het samenspel van de twee lengteschalen, precipitaat grootte en afstand, kan worden gebruikt als een optimaal ontwerpmotief om een ​​uitstekende combinatie van sterkte en vervormbaarheid te produceren, evenals een criterium bieden voor het selecteren van de precipitaatgrootte en -afstand in materiaalontwerp."

Deze bevindingen leggen een basis voor sterkte-ductiliteitsoptimalisatie door dicht verspreide nanoprecipitaten in legeringssystemen met meerdere elementen.